Примерный расчет двухванной сталеплавильной печи

 

Топливный расчет

 

Рассчитать двухванную печь, емкостью ванн по G= 250т каждая, принимая общую продолжительность плавки рав­ной -1440 с (0,4 ч), из которых: выпуск и заправка–1440с (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).

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 стали после расплавления. Примем, что при продувке ванны техническим кислородом 10% S окисляется до SO₂, а угар железа в дым принят равным 1 % (по 0,5 % в каждом периоде).

С 2,505-1,30 = 1,205 кг

Si. 0,650 кг

Мn 0,760-0,04 =0,720 кг

Р 0,144 – 0,015-0,129 кг

S 0, 0465 – 0, 03 – 0, 00465=0,012 кг

Fе (в дым) 0,500 кг

Всего 3,216 кг

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

Масса образовавшихся оксидов, кг 1,205+1,607=2,812 0,65+0,743=1,393 0,76+0,221=0,981 0,144+0,186=0,330 0,5+0,214=0,714 0,0465+0,0465=0,093

Расход кислорода, кг

С-СО 1,205-16:12=],607

Si->SiO₂ 0,65-32:28=0,743

Мn-MnO 0,76-16:55^0,221

Р-Р₂О₆ 0,144-80:62-0,186

Fe в дым-Fе₂О₃ 0, 5-48:112=0,214

S-SO₂ 0, 0465-32:32-0, 0465 3,0175

Для расчета состава и количества шлака следует сде­лать следующие допущения.

При завалке со скрапом вносится 2 % загрязнений типа глины, имеющей состав: 52 % SiO₂; 25 % А1_гО₃; 23 % Н₂О. Таким образом, загрязнениями вносится, кг:

SiO 35.0, 02.0, 52-0,364

Al 35-0, 02.0, 25-0, 1575

H 35-0, 02.0, 23-0,161

0,6826 кг.

Обычно скрап окислен {~1 %), т. е. со скрапом попа­дает 0,35 кг окалины в виде Fe Оз. Вместе с чугуном из миксера попадает некоторое количество шлака, которое для данного расчета примем равным 0,5 кг следующего со­става: 46 % СаО; 8 % А1₂О₃; 6 % MgO; 2 % S.

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

I период 1,3 0,1

II период 0,4 0,1

За плавку 1.7 0,2

Доломит обожженный Мэгнезитохромит.

Согласно технологии производства стали, после заливки чугуна скачивают 5–6 % шлака. Принимаем, что в рас­сматриваемом случае скачивают 6 % шлака (6 кг) соста­ва, %: 21 SiO₂; 3,5 А1₂О₃; 4 MnO; S MgO; 25 СаО; 4 P₂O-₃; 0,3 S; 0,1 Cr₂O₃; 27,6 FeO; 6,5 Fe₂O₃.

Со скачиваемым шлаком уходит, кг:

SiO₂... 6, 0-0,210 = 1,260

А1₂О₃... 6,0-0,035-0,210

МnО... 6,0-0,040 -0,240

MgO…60-0,080 = 0,480

CaO …6, 0-0,250-1,500

Р₂О₅…6,0-0,040 = 0,240

S... 6, 0-0,003 = 0,018...

Сг₂О_3…6,0-0,001 =0,006

FeO... 6, 0.0,276 = 1,656

Fe₂O₃... 6, 0-0,065 =0,39

6,00 кг

Co скачиваемым шлаком теряется 1,5:0,53=2, 83 кг известняка (0,53 содержание СаО в1 кг известняка).

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

Поступление , кг, из:

металлической шихты 1,393

доломита 1,3-0,02=0,026

магнезитохромита 0,1-0,06=0,006

загрязнений скрапа 0,364

миксерногошлака 0,5-0,38=0,19

известняка 2,83+ х)0,02=0,0566+0,02 х

2,036+0,02х

Поступление А1_ЭО₃, кг; из;

Доломита 1,3-0,02=0,026

Магнезитохромита 0,01-0,04=0,004

загрязнений скрапа 0,1575

миксерного шлака 0,5-0,08=0,040

известняка (2,83+ х)0,003=0,0085+0,003 х

---------------------------------------------------

0,236+0,003 х

Поступление СаО, кг, из:

Доломита 1,3-0,55=0,715

магнезитохромита 0,1-0,02=0,002

миксерного шлака 0,5-0,46=0,23

известняка (2,83+ х)0,53= 1,5+0,53 х

2,447+0,53 х

Поступление РзО₅, кг; из:

металлической шихты... 0,330

известняка........ (2,83+ х)0,007=0,002+0,0007 х

0,332+0,0007х

Принимая по практическим данным, что в шлаке содер­жится 16 %FeO и 6 % Fe₂O3, составим с учетом скачива­ния шлака, формулу количества его в конце 1 периода, кг: SiO₂... 2,036+ 0,02 х -1,260 = 0,776+ 0,02 х

А1₂О₃... 0,236 + 0,003 – 0,210 = 0,026 + 0,003 х

МnО...0,981–0,240 = 0,741

MgO... 0,6206 + 0,02 х – 0,48 =0,1406 + 0,02 х

СаО... 2,447 + 0,53 х – 1,50 = 0,947 + 0,53 х

Р₂О₆... 0,332 + 0,0007 х –0,24 = 0,092 + 0,0007 х

S... 0,111+0,001 х –0,018 = 0,093 + 0,001 х

Сг₂О₃ … 0,012 – 0,006 = 0,006

FeO,..0,16шл

Fe₂O₃ …0,16шл

Lшл = 0,22Lшл + 2,8216 + 0,5747 х или

L_ШП = 3,617 + 0,737 х.

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

В =

откуда

0,947 + 0,53 х = 2,0176 + 0,052 х или х = 2,24 кг.

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

Составляющие	Масса, кг	Содержание, %
SiO2	0,9328	15,58
А12О3	0,0371	0,62
МnО	0,8421	14,06
MgO	0,2107	3,52
СаО	2,4254	40,52
РА	0,1063	1,78
S	0,1081	1,82
Сг2О3	0,0068	0,10
FeO	0,9579	16,00
Fe2O3	0,3592
	Lшл,=5,9870

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

Составим баланс железа на 1 период плавки (табл, 42).

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

Расход кислорода на окисление железа до Fe₂O₃ 0,232X Х48: 112 = 0,099 кг; до FeO 1,949-16:56 = 0,557 кг.

Принимая, что из атмосферы печи в ванну поступает 30% от общего количества кислорода, найдем величину последнего 3,0175+0,099+0,557+0,1 (3,0175+0,099+ +0,557) =4,04 кг.

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

Здесь 0,95-доля O

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.

II период

Расчет материального баланса для второго периода плавки от расплавления до раскисления стали, проводится аналогично расчету для I периода.

 

Тепловой баланс

 

Целью расчета теплового баланса, рабочего простран­ства камеры печи, является определение средней тепловой нагрузки и тепловой нагрузки холостого хода. Расчет про­изводим для одной камеры печи.

Приход тепла

Тепло, вносимое скрапом

820,75-10³ кДж = 0,82 ГДж.

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

2, Тепло, вносимое чугуном

Q₄ = GD₄ [с?;_пл._ч + К + с* ft ~ ^J ] == 250- 10^s-0,65 [0,745 ■ 1200 + 217,72 + + 0,837 (1300 – 1200)3 = 194255,75 ■ 10^ кДж -= 194,26 ГДж, где Л, –0,65 – доля чугуна в шихте; с™ =0,745 кДж/

/(кг-К) –средняя удельная теплоемкость твердого чугуна в интервале температур 0–1200°С:'

_cf =0,837 кДж/(кг-К) –тоже жидкого чугуна в интерва­ле температур 1200–1300 °С;

1-4 = 217,72 кДж/кг – скрытая теплота плавления чугуна; £_ч=1300°С – температура заливаемого чугуна; ^ш.ч –1200°С – температура плавления чугуна. •.

3.Тепло экзотермических реакций

С-СО₂... 0,02405 250 10³ 34,09 = 204966,1

Si-SiO₂... 0,00650 250 10³ 31,10 = 50537,5

Мn-МnО... 0,00680 250 10³ 7,37= 12529,0

Fe-Fе₂О₃(в дым)... 0,010000-250.10³-7,37 = 18425,0

Р-Р₂О₅... 0,00129 250 10³ 25,00 = 8062,5

S-SO₂... 0,00012 250 10 9,28 = 278,4

Fe-FeO... (0,01940 + 0,00053)250-10³ 4,82 = 24015,6

Fe^Fe₂O₃... (0,00232 –0,00018) 250-10³ 7,37 = 3943,0

=322757,1 МДж = = 322,76 ГДж

здесь первый столбик чисел–доля выгоревшей примеси;

второй – емкость ванны, кг;

третий – тепловые эффекты реакций, отнесенные к 1 кг элемента, МДж/кг (см. приложение XII).

4.Тепло шлакообразования

SiO₂-(CaO)₂SiO₂... 0,01393-250-10³;28.60-2,32 =8075,75

 

Р₂0₆-(Са0)₈РАСа0... 0,033 250 10³ 62 142 4,71 =738,63

 

Q_Ш.о =8,81 ГДж=8814,38 МДж

здесь первая колонка – доля оксида;

третья и четвертая колонки – молекулярные массы

элемента и соединения, соответственно;

пятая колонка – тепловые эффекты реакции шлакооб­разования, МДж/кг (приложение XII).

5.Тепло от горения природного газа

Q_Н р.г = 35069,6 В кДж - 0,035 В ГДж,

где Q =35069,6 кДж/м³ – низшая теплота сгорания при­родного газа (см. пример 35); В – расход природного газа на плавку, м³..

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

= (9,28В + 0,06279-250-10³:28-22₍4-2,38) 1,3226-20 =

= 245,47 В + 790598,34ТкДж = 0,000245 В 4- 0,79 ГДж.

Здесь и теоретические расходы воздуха для сжигания 1 м³ природного газа и 1 м³ СО, соответственно

равные 9,28 и 2,38 м³/м³; Dсо– доля образующегося СО (см. материальный баланс плавки);

Mco =28 кг– молекулярная масса СО;

C_в= 1,3226 кДж/м³ К) –теплоемкость воздуха при

t =20°С (приложение I).

Расход тепла

Физическое тепло стали

0,91119-250.10³[0,7-1500+ 272,16+ 0,837(1600 –1500)1 - 320251,39-10³ кДж - 320,25 ГДж.

Здесь Dст–0,91119 выход стали (cm. материальный баланс);

с =0,7 кДж/(кг К)–удельная теплоемкость твер­дой стали, средняя в интервале температур 0–1500 °С;

=0,837 кДж/(кг-К) –то же, жидкой стали средняя в интервале температур 1500–1600 °С;^-

= 1500 C – температура плавления стали;

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

2. Физическое тепло стали, теряемой со шлаком

= 0,00734-250- 10 0.7-1500 + 272,16 + 0,837(1600 –1500)] = 2579,753-10³ кДж = 2,58 ГДж.

3. Физическое тепло шлака

Q_шл = (1,25-1550+ 209,5) 0,06 250 10³ +(1,25 1600+209,35) 0,0628 250 10³ = 66889,545 10³ кДж=66,89 ГДж.

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 балане).

4. Тепло, уносимое продуктами сгорания при средней
температуре 1_yx= 1600 °С

= Bi_yxV_yx В 2592,64 10,34=26807,9 В кДж =0,0268 В ГДж. Здесь:

ico₂...0,0955 3815,86 = 364,41

i о...0,1875 2979,13 = 558,59

,...0,717 0.2328,65 = 1669,64

= 2592,64 кДж/м³.

Доли СО₂, Н₂О, N₂ и V_yx заимствованы из табл. 17, их энтальпии – из приложения II при t_ух== 1600 °С.

5. Тепло, расходуемое на разложение известняка

1779,5 0,0507 250 10³=22555 10³кДж=22,56 ГДж.

Здесь 1775,5 кДж/кг – теплота разложения 1 кг извест­няка;.

0,0507 –доля известняка (см. материальный баланс).

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

= 0,000786 250 10 4,187 100+ 2256,8+1,88(1600– 100)]22,4 18 = 1297594,2 кДж - 1,3 ГДж.

Здесь 4,187 кДж/(кг-К) –теплоемкость воды, средняя в интервале температур 0–100 °С;

1,88 кДж/(кг-1<) –то же, пара в интервале температур 100–1600°С;

2256,8 кДж/кг – скрытая теплота испарения 1 кг воды;

0,000786 –доля Н₂О в продуктах плавки (см. матери­альный баланс).

7. Тепло, затраченное на нагрев выделяющихся из ван­ны газов до t =1600°C.

СО₂...3815,86-0,02146-250.10³-22,4:44 = 10422,15-Ю³

СО,..2526,85-0,0б279.250.10⁸.22,4:28 = 31732Д8-1б³

SO₂,..3815,86-0,00101.250-10³-22,4;64-337,23.10³

N₂...2328,65-0,00320.250-10³-22,4;28 1490,33-10³

О₂…24б3,97-О,006 64-250-Ю³-22,4: 32 = 2863,13-10³

= 46845,02-10³ кДж = 46,85 ГДж

Здесь первый столбик чисел – энтальпия газов при t_ух =1600°С (приложение 2); второй столбик чисел –доля газа от массы садки (см. материальный баланс).

8. Тепло, теряемое с уносимыми частицами Fe₂O₃

= 0,01571 250 10³(1,23 1600 +209,35)= 16773,76 10³ кДж =16,78 ГДж.

9. Потери тепла с охлаждающей водой.

В рабочем пространстве двухванной печи водой охлаж­даются заслонки окон (расход воды по 1,67- 10 м³/с)„ змеевики столбиков (по 0,56-10 ³ м³/с), амбразура шлако­вой летки (1,12-10 ³ м³/с) и кислородные фурмы (по0,28 10 ³ м³/с). Принимая, что повышение температуры воды в водоохлаждаемом элементе не должно превышать 20 К, находим потери тепла с охлаждающей водой;

Заслонки 3-1,67-10-³-4,187- 10³-14400-20=6041,34 10³

Змеевик 6-0,56- 10 .4,187-10³-14400.20=4051,68- 10³

Амбразура 1-1,12-10 .4,187- 10³-14400-20=1350,56- 10³

Фурмы 3-0,28-10 -4,187-10³=6840-20-481,14-10³

=11924,72- 10 Дж= 11,92ГДж

Здесь первый столбец чисел – количество водоохлаждаемых элементов; второй – расход воды, м³/с; третий – теп­лоемкость воды, кДж/(м³К); 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 м³/с найдем общий расход воды:

Рамы завалочных окон 3-0, 11 10 =0,33- 10

Пятовые балки передней

Стенки 3-0,11 10³=0,33-I0

Пятовые балки задней стенки 3.0,11-10 =0,33-.10

Всего =0,99-10 ³ м /с

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

4,187-10³ 0,99.10 (100 – 30) 14400 + [2256,8 +1,88(150 -100) 10³-0,89-10 14400 18:22,4 =27952,17-10³ кДж = 27,95 ГДж.

Суммарные потери тепла с охлаждающей водой равны

Q_охл = 11,92 + 27,95=39,87 ГДж.

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

Потери тепла через свод

14042,073-10³ кДж = 14,04 ГДж

Коэффициент теплопроводности магнезитохромита со­гласно приложению XI при средней температуре свода 0,5 (1580+300)=940°С равен =4,1- 0,0016-940=2,6 Вт/(м К). Коэффициент теплоотдачи конвекцией равен

=10+0,06 300=28 Вт/(м² К). Толщина футеровки 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 0,75 м и слой легковесного шамота толщиной =0,065 м. Принимая температуру наружной поверхно­сти футеровки равной 200°С, а на границе раздела слоев 1100°С, согласно приложению XI получим

_м - 6,28 0,0027 0,5 (1580 + 1100) = 2,66 Вт/(м К) и

= 0,314 + 0,00035 0,5(1100 + 200) = 0,54 Вт/(м К) и

а = 10 + 0,06-200 = 22 Вт/(м К).

Тогда

= 1159,32 10 кДж=1,16 ГДж

Потеря тепла через переднюю стенку

12,54 14400=1398,8 10 кДж=1,4 ГДж

Здесь = 6,28–0,0027(1580 + 200)/2 = 3,88 Вт/(м К).

Потери тепла через под равны

= 5100 102,4 14400 = 6475,78-10³ кДж = 6,48 ГДж.

Здесь: 5100 Вт/м² –удельные потери тепла через под; 102,4 м² – площадь пода. Всего теряется через футеровку

= 14,04 + 1,16 + 1,4 + 6,48= 23,08 ГДж.

11. Потери тепла излучением через окна печи [формула
(156)]

5,7 0,65 () 1,6 1,7 5400 =

= 6697,34 10³ кДж = 6,7 ГДж.

12. Потери тепла на диссоциацию СО₂ и Н₂О примем
равными 2 % от тепла, получаемого при сжигании природ­ного газа, т. е.

Q_дисс = 0,02 0,035 В = 0,0007 В ГДж.

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

= 0,025-0,035 3 = 0,00088 В ГДж.

Расход природного газа найдем из уравнения теплово­го баланса

0,82 + 194,26 + 322,76 + 8,81 + 0,035 В + 0,000245 В + 0,79 = 320,25 + 2,58 + 66,89 + 0,0268 В 22,56 +1,3 + 46,85 + 16,78 + 39,87 + 23,08 + 6,7 + 0,0007 В + +0,000885 или

0,006865 В = 20,21,

откуда

В=2943,9 м³.

Тепловой баланс рабочего пространства камеры двухванной печи представлен в табл. 43.

Средняя тепловая нагрузка равна

Q_cp = 35, 0 2943, 9:14400 = 7,155 МВт. Тепловая нагрузка холостого хода равна (39,87+ 23,08+ 6,7): 14400 =4,84 МВт.

Таблица 2. Тепловой баланс камеры двухванной печи

 

 

Статья прихода	ГДж {%)	Статья расхода	ГДж (%)
Физическое тепло: скрапа.... чугуна.... воздуха... Тепло реакций: экзотермических шлакообразования..._.. Тепло от горения природного газа	0,82(0,13) 194,26(30,78) 1,51(0,24) 322,76(51,13) 8,81(1,39) 103,04(16,33)	Физическое тепло: стали.... металла в шлаке шлака.... Разложение изве­стняка.... Испарение влаги Нагрев газов Вынос с частица­ ми Fe2O3.... Водяное охлажде­ние Потери тепла: через футеровку излучением.. на диссоциацию с выбивающимися газами... с продуктами сго­рания	320,26(50,74) 2,58(0,41) 66,89(10,55) 22,56(3,57) 1,30(0,21) 46,85(7,42) 16,78(2,66) 39,87(6,33) 23,08(3,66) 6,70(1,08) 2,09(0,33) 2,63(0,42) 79,60(12,62)
Итого	631,20(100,0)
		Итого	631,20 (100,0)

 

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

= 0,75-7,155=5,366 МВт, а расход природного газа

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 = 1195,69м /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 В = 7,155 4680/35,0=956,87 м /период.

Период доводки (продолжительность 3600 с) Q₄ ==(7,155 14400- 5,366 1440- 8,94 4680- 7,155 4680)/3600=5,55 МВт. Тогда В₄ = 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.

Заключение

Таким образом, двухванная печь имеет много эксплуатацион­ных и сантехнических недостатков. В связи с этим и несмотря на то, что двухванные печи имеют значительную производительность, их следует рассматривать как временную, промежуточную конструкцию, соответствующую сложному (в техническом и эко­номическом отношении) периоду полного перехода нашей метал­лургии с мартеновского на конвертерный способ производства стали.