УСЛОВИЕ РАСЧЕТА
Главными особенностями материального и энергетического балансов, вытекающими из технологии электроплавки стали из металлизованных окатышей и скрапа являются: увеличение количества шлака, реакционного углерода, уменьшение расхода кокса и газообразного кислорода.
В случае работы на холодных металлизованных окатышах их пустая порода и флюсующая известь требуют дополнительных затрат энергии соответствующих теплосодержанию увеличенного количества шлака.
В случае работы на горячих (800÷1000 °С) металлизованных окатышах это увеличение с избытком компенсируется теплосодержанием окатышей и может сопровождаться снижением расхода электроэнергии в сравнении с плавлением холодного скрапа. Эндотермическая реакция восстановления железа окатышей твердым углеродом требует дополнительного расхода энергии; образующийся при этом реакционный монооксид углерода уносит значительное количество энергии, часть которой можно использовать, дожигая СО в печи или в камере подогрева шихты.
Одна тонна металлизованных на 90÷93% окатышей вносит 25÷18 кг. кислорода, вызывающего при достаточном содержании в шихте углерода интенсивное кипение ванны, поэтому при содержании в шихте более 60% металлизованных окатышей газообразный кислород нужен только для быстрой корректировки содержания углерода в металле.
Повышение степени металлизации (95÷97 %) сопровождается уменьшением прихода кислорода с окатышами и соответствующим увеличением расхода кислорода (при отсутствии газообразного кислорода используют окисление окатышей).
Относительная величина потери тепла с водой и через футеровку определяется не только интенсивностью теплоотвода из рабочего пространства печи водоохлаждаемыми деталями и футеровкой, но, главным образом, продолжительностью плавки, напряжением и силой тока электрической дуги, интенсивностью полезной теплопередачи (от дуги металлу и шлаку) и в современных печах с удельной мощностью трансформатора 600 кВ·А и больше на тонну вместимости печи с водоохлаждаемыми стенами и сводом составляет около 20 % сверх полезного расхода энергии на тонну стали.
Электрические потери в этих печах составляют примерно 6 %.
В расчете энергетического баланса не учитывается приход тепла от окисления электродов (примерно 1 кг/т) и от реакций шлакообразования из-за незначительной величины его.
МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС
Материального баланса составим на основе данных, полученных из расчета шихты. Кроме этого в приходной части учтем переход футеровки (Fsh) в шлак, исходя из количества шлака (Dsh) и содержания в нем и в футеровке оксида магния (MgOsh, MgOfut).
Переход футеровки в шлак (кг):
. (1.16)
В расходной части учтем количество монооксида углерода исходя из доли металлизованных окатышей Dmo и содержания реакционного углерода в них
. (1.17)
Результаты расчёта заносим в таблицу 2.
Таблица 2
Таблица материального баланса, в кг. на 1 т. жидкой стали
| Приход | кг | % | Расход | кг | % |
| 1. Металлизованные окатыши 1.1 1-й сорт 1.2 2-й сорт 2. Скрап 3. Известь 4. Электроды 5. Ферросплавы 6. Футеровка 7. Кислород 8. Азот ВСЕГО: | 1. Сталь 2. Шлак 3. Газ 4. Пыль 5. Неучтённые потери ВСЕГО: |
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС
Используя данные материального баланса и расчета шихты определим статьи прихода, расхода и по их разности расход электроэнергии.
ПРИХОД
Экзотермические реакции:
Окисление кремния скрапа:
QSiO2 = 223800 ккал - тепловой эффект от окисления кремния;
Sisk = 0,2 %- содержание кремния в скрапе.
. (1.18)
Далее везде деление на 860 - перевод [ккал] в [кВт·ч].
Окисление марганца скрапа:
QMnO = 97550 ккал - тепловой эффект от окисления марганца;
Mnsk = 0,5 % - содержание марганца в скрапе
. (1.19)
Сумма прихода без электроэнергии (кВт·час):
(1.20)
- без дожигания СО.
РАСХОД
Теплосодержание стали, шлака и пыли по данным Н.В. Окорокова и А.В. Егорова с учетом подогрева на 200° перед выпуском:
Сталь:
I1 = 350 + 0,84 · 0,278 · 200; (1.21)
шлак:
; (1.22)
пыль [кВт·час]:
I3 = Dy · 1000 · 2,1 · 0,278. (1.23)
Теплосодержание монооксида углерода, диоксида углерода и дыма при 1700 °С:
монооксида углерода:
; (1.24)
диоксида углерода:
; (1.25)
дыма:
. (1.26)
Тепловой эффект реакции FeO+Fe3C = 4Fe+CO-H(Q) восстановления вюстита углеродом карбида железа можно определить из элементарных реакций:
FeO = Fe + 0,5 · O2 Q1 = -61500 [ккал];
C + 0,5 · O2 = CO Q2 = 28600 [ккал];
Fe3C = 3Fe + C Q3 = 2685 [ккал];
Q = Q1 + Q2 + Q3. (1.27)
Суммарный расход тепла на восстановление вюстита карбидом железа равен:
. (1.28)
Потери с охлаждающей водой и через футеровку примем из практических данных для печей с условной мощностью более 600 кВА/т емкости печи в количестве 20% сверх полезного расхода тепла:
I7 = I1 + I2 + QS; (1.29)
I8 = I7 / 0,8 - I7. (1.30)
Электрические потери примем 6% от расхода электроэнергии, которую определим для каждого варианта использования энергии монооксида углерода.
Общий расход тепла без электрических потерь равен:
I11 = I7 + I4 + I3 + I8; (1.31)
после вычета теплового эффекта экзотермических реакций:
I12 = I11 - I4; (1.32)
следовательно, электрические потери равны:
Ie1 = I12 / 0,94 - I12; (1.33)
суммарный расход электроэнергии
Isum = I12 + Ie1. (1.34)
Результаты расчетов сведем в таблицу 3.
Таблица 3.
Таблица энергетического баланса на 1 т. жидкой стали
| ПРИХОД | кВт·ч/т | % |
| 1. Электроэнергия 2. Тепло экзотермических реакций 2.1. Окисление кремния скрапа 2.2. Окисление марганца скрапа 2.3. Дожигание СО Всего: | ||
| РАСХОД | кВт·ч/т | % |
| 1. Теплосодержание стали 2. Теплосодержание шлака 3. Восстановление вюстита углеродом карбида железа 4. Потери 4.1. Потери с пылью 4.2. Потери с газом 4.3. Потери с водой и через футеровку 4.4. Электрические потери 4.5. Неучтённые потери. Всего: |
3. Контрольные вопросы
1. Источники металла, углерода, кислорода при выплавке электростали из скрапа и металлизованных окатышей.
2. Распределение металла, углерода, кислорода при выплавке электростали.
3. Распределение фосфора и серы при выплавке электростали и способы его изменения.
4. Из чего образуется шлак при выплавке электростали из скрапа и металлизованных окатышей, его количество, его влияние на распределение железа, фосфора и серы?
5. Как зависит расход газообразного кислорода от отношения О/С в металлизованных окатышах и их доли в шихте?
6. Какое количество кислорода содержится в окисленных гематитовых окатышах, содержащих 67% железа?
7. Какое количество газообразного кислорода соответствует одной тонне окисленных окатышей?
8. Плавление окатышей, имеющих отношение О/С = 1,333, в ДСП сопровождается образованием окисленного шлака. Почему?
Как изменяется при этом состав металла?
9. Какое количество углерода вносят в металл ферросплавы?
10. Что нужно учитывать при определении доли извести в шихте?
11. Как определить количество оксидов огнеупоров перешедших в шлак?
12. Что входит в состав пыли вынесенной газами из ДСП?
13. Состав приходной части материального баланса плавки.
14. Состав расходной части материального баланса плавки.
15. Состав приходной части энергетического баланса плавки.
16. Состав расходной части энергетического баланса плавки.
17. Как определить количество монооксида углерода, выделяющегося при плавлении металлизованных окатышей?
18. Как определить количество дыма, образующегося в ДСП при плавлении металлизованных окатышей?
19. Почему в приходе учитывают не весь расход электродов?
20. Какие экзотермические реакции протекают при плавлении скрапа и как рассчитать тепло этих реакций?
21. Как определить химическое тепло реакционного газа, выделяющегося при плавлении металлизованных окатышей?
22. Как определить теплосодержание металла, шлака и дыма?
23. Как определить тепловой эффект реакции восстановления железа из вюстита углеродом карбида железа?
24. Как можно определить потери тепла с охлаждающей водой не имея данных о ее расходе и температуре?
- Таблица вариантов заданий
| Вариант | Марка выплавляемой стали | Доля металлолома в металлозавалке | Вариант | Марка выплавляемой стали | Доля металлолома в металлозавалке |
| 20Х13 | 0,5 | 20Г | 0,1 | ||
| 20Х17Н2 | 0,3 | 15Х | 0,6 | ||
| 40Х9С2 | 0,5 | 15ХСНД | 0,1 | ||
| 15Х25Т | 0,3 | 14ХГС | 0,6 | ||
| Ст30 | 0,5 | 40Х9С2 | 0,1 | ||
| 14ХГС | 0,3 | Ст30 | 0,6 | ||
| 15ХСНД | 0,5 | 25ХГСА | 0,1 | ||
| 15Х | 0,3 | ШХ15 | 0,4 | ||
| 20Г | 0,5 | 20Г | 0,2 | ||
| ШХ15 | 0,3 | 15Х | 0,4 | ||
| 25ХГСА | 0,5 | 15ХСНД | 0,2 | ||
| 25ХГСА | 0,3 | 14ХГС | 0,4 | ||
| 14ХГС | 0,5 | 25ХГСА | 0,2 | ||
| 15ХСНД | 0,3 | Ст20 | 0,4 | ||
| ШХ15 | 0,5 | ШХ15 | 0,2 | ||
| ШХ15 | 0,1 | 20Г | 0,4 | ||
| 20Г | 0,6 | 15Х | 0,2 | ||
| 15Х | 0,1 | 15ХСНД | 0,4 | ||
| 15ХСНД | 0,6 | 14ХГС | 0,2 | ||
| 14ХГС | 0,1 | 20Х13 | 0,4 | ||
| 25ХГСА | 0,6 | Ст30 | 0,2 | ||
| Ст20 | 0,1 | 25ХГСА | 0,4 | ||
| ШХ15 | 0,6 |
Литература
1. Производство стали в дуговых печах. Конструкции, технология, материалы [Text]: монография / Ю. А. Гудим, И. Ю. Зинуров, А. Д. Киселев. - Новосибирск: НГТУ, 2010. - 547 с.
2. Общая металлургия [Text]: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2005. - 768 с.: 253 ил. –
3. Энергосбережение при выплавке стали в дуговых печах [Текст]: учебное пособие / Э.Э. Меркер, А.И.Кочетов, Д.А.Харламов. - Старый Оскол: ТНТ, 2009. - 296 с.
4. Современные способы выплавки стали в дуговых печах [Text]: учебное пособие / А.В. Рябов, И.В. Чуманов, М.В. Шишимиров. - М.: Теплотехник, 2007. - 192 с.
5. Производство стали [Текст] / Д.А. Дюдкин.
Т.1: Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко. - М.: Теплотехник, 2008. - 528 с.
6. Тепловые и технологические процессы в печах бездоменной металлургии [Text]: учебное пособие / Э.Э. Меркер, А.А. Кожухов, Д.А. Харламов. - 2-е изд., стер.- Старый Оскол: "ТНТ", 2008.-184 с.
Приложение 1. Химический состав стали, %
| Марка стали | С | Si | Mn | Cr | Ni | Cu | Ti И др. | S ≤ | P ≤ |
| 20Х13 | 0,15 | ≤0,6 | ≤0,6 | ≤0,6 | 0,025 | 0,03 | |||
| 14Х17Н2 | 0,14 | ≤0,8 | ≤0,8 | ≤0,3 | ≤0,2 | 0,025 | 0,03 | ||
| 40Х9С2 | 0,4 | 2,5 | ≤0,8 | 0,025 | 0,03 | ||||
| 15Х25Т | 0,15 | ≤1 | ≤0,8 | 25,5 | 0,7 | 0,025 | 0,035 | ||
| Ст 30 | 0,3 | 0,25 | 0,65 | ≤0,25 | ≤0,3 | ≤0,3 | As≤0,08 | 0,04 | 0,035 |
| 14ХГС | 0,14 | 0,55 | 1,1 | 0,65 | ≤0,3 | ≤0,3 | As≤0,08 N≤0,012 | 0,04 | 0,035 |
| 15ХСНД | 0,15 | 0,55 | 0,55 | 0,75 | 0,45 | 0,3 | As≤0,08 N≤0,008 | 0,04 | 0,035 |
| 15Х | 0,14 | 0,27 | 0,55 | 0,85 | ≤0,3 | ≤0,3 | 0,035 | 0,035 | |
| 20Г | 0,2 | 0,27 | 0,85 | ≤0,3 | ≤0,3 | ≤0,3 | 0,035 | 0,035 | |
| ШХ15 | 1,0 | 0,27 | 0,3 | 1,4 | ≤0,3 | ≤0,025 | Ti≤0,01 O≤0,0015 | 0,02 | 0,027 |
| 25ХГСА | 0,25 | 1,1 | 0,95 | ≤0,3 | ≤0,3 | 0,025 | 0,025 |
* Примеси обозначены знаком ≤