2.2 Тепловий баланс

Тепловий баланс дугової сталеплавильної печі уявляє собою порівнювання кількості підведеної енергії і витрати енергії за період плавки.

Особливістю роботи дугової сталеплавильної печі є те, що вогнетривка кладка стін та склепіння з кожною плавкою зношується і тоншає. Тому теплові втрати через стіни і склепіння рекомендується або розрахувати для двох крайніх випадків - для нової вогнетривкої кладки з початку роботи стін та склепіння і для зношеної наполовину товщини вогнетривкої кладки в кінці роботи печі, або вводити в розрахунки втрат 0,75 товщини вогнетривкої кладки /припускаючи, що до кінця кампанії кладка може зноситись на 50 % первинної її товщини/.

До футеровки череня ці рекомендації не відносяться, оскільки за умовами технологічного процесу черінь дугової сталеплавильної печі після кожної плавки заправляють свіжим вогнетривким порошком і товщина вогнетривкої частини футеровки череня за час експлуатації печі істотно не змінюється.

2.2.1 Прихід теплоти

2.2.1.1 Електроенергія, яка забирається з мережі:

, кВт*г

2.2.1.2 Теплота окислення електродів Q_o.e

При згоранні 1кг вуглецю виділяється 33500 кДж теплоти і, якщо угар електродів за плавку рівняється q_e.л, тоді:

(11)

Коефіцієнт 0,6 враховує, що не вся теплота від горіння електродів виділяється всередині печі. Витрату електродів q_e.л приймають для кислого процесу: вугільні електроди 10-12 кг/т рідкого металу; графітовані - 4-6 кг/т; для основного процесу: вугільні електроди 13-15 кг/т, графітовані – 6-9 кг/т.

2.2.1.3 Теплота екзотермічних реакцій Q_екз

Теплоту екзотермічних реакції можна визначити тільки металургійним розрахунком при проведенні одночасно з енергетичним матеріального балансу плавки, який дає кількісне співвідношення реагуючих елементів. Приблизно цю статтю балансу можна приймати за літературними даними - балансами аналогічних технологічних процесів, або точно розрахувати:

, кДж (12)

де - угар вуглецю, кремнію, марганцю, %/100

Всього прихід теплоти:

, кВт*г (12)

2.2.2 Витрати теплоти

2.2.2.1Тепловий вміст металу і шлаку.

Теплота, яка необхідна для нагріву до температури плавлення, для розплавлення і перегріву до заданої температури металу або шлаку, визначається за формулою:

, кДж (13)

де G - маса матеріалу, кг;

С₁- середня питома теплоємкість матеріалу в інтервалі від

початкової температури до температури плавлення,

кДж/(кг*К);

t_пл - температура плавлення, °С;

t_о - початкова температура, °С;

q - скрита теплота плавлення, кДж/кг;

с₂ - середня питома теплоємкість рідкого матеріалу в інтервалі

від температури плавлення до заданої температури

перегріву, t_пер,°С.

2.2.2.2 Теплота ендотермічних реакції Q_enд

Теплоту ендотермічних реакцій визначають розрахунковим шляхом по даних матеріального балансу, як і теплоту екзотермічних реакцій, або за літературними даними.

2.2.2.3 Втрати теплоти крізь кладку

Ця стаття теплового балансу включає втрати крізь бокові «стінки» черінь і склепіння. Теплові втрати крізь циліндричну стінку можна з достатньою точністю розрахувати по рівнянню для плоскої стінки:

, кДж/г (14)

де t₁; t_n+1-температура внутрішньої і зовнішньої поверхні стінки, ^оС;

S₁, S₂,…,S_n-товщина шарів стінки, м;

₁,₂,...,_n-теплопровідність окремих шарів, Вт/(м*К), (див. табл. Д1);

F_1.2, F_2.3,…, F_{n, n+1}- розрахункові поверхні шарів стінки, м².

Температура внутрішньої поверхні футерівки t₁ приймається рівною робочій температурі печі. Температура зовнішньої поверхні футерівки t_n+1 приймається попередньо з послідуючою перевіркою після першого орієнтовного визначення теплових втрат. Перед попереднім вибором значення t_n+1 необхідно керуватися слідуючими міркуваннями: значення t_n+1 буде знаходитись в інтервалі від 50 °С (при робочій температурі печі до 1000 °С і добрій теплоізоляції стінки) до 300 °С (для робочої температури 1500 °С при наявності тільки вогнетривкої кладки без теплоізоляційного шару, наприклад, склепіння печі).

Рекомендується така послідовність розрахунків:

1. Попередньо задають температуру t_n+1 і приймають орієнтовно значення температурних перепадів та відповідно середніх температур всіх шарів футеровки. При цьому необхідно керуватись тим, що різниця температур t_n - t_n+1 розподіляється між окремими шарами футеровки прямопропорційно тепловим опорам цих шарів.

2. За прийнятими попередніми значеннями середніх температур шарів футеровки і температури t_n+1 визначають в першому приближенні теплопровідність (табл. Д1) і за цим значенням знаходять попередні значення теплових опорів шарів і стінки в цілому:

, K/Вт (15)

3. Визначають максимальний тепловий потік крізь стінку з розрахунку, що вона рівна температурі повітря, що обдуває зовнішню поверхню стінки (t повітря 20 ⁰С)

Q_max= , Вт (16)

і визначають максимальний питомий потік на І м² зовнішньої поверхні стін

, Вт/м² (17)

При t_n+1 рівній температурі внутрішньої поверхні стін t₁ передача теплоти крізь стінку припиниться, q=0

За даними таблиці Д2 будують графік залежності питомого теплового потоку від зовнішньої поверхні в навколишнє середовище від температури цієї поверхні (крива І, рис. 2) і на ньому наносять залежність питомого теплового потоку крізь стінку від температури зовнішньої поверхні стінки t_n+1, яка виразиться прямою, що з'єднує точку [t=20 °, q_max] з точкою [t_n+1, q=0] (пряма 2, рис. 2). Точка перетину дає температуру зовнішньої поверхні t_n+1 і дійсний питомий тепловий поток.

4. Перевіряють вірність прийнятих значень теплопровідності. Так, як загальний перепад температури розподіляється по шарах пропорційно їх тепловим опорам, то для кожного шару маємо:

(18)

де t₁-температура внутрішньої поверхні шару;

t₂ - температура зовнішньої поверхні шару;

R´_T- загальний тепловий опір стінки;

R_Ti - тепловий опір 1-го шару.

Звідси визначають середні температури шарів футерівки:

t_{1 ср}=t₁-0,5*Δ t₁

t_{2 ср}=t₁- Δ t^’₁ -0,5*Δ t₂ і т.д. (19)

і уточнюють значення  .

Для уточнених значень теплопровідностей розраховують тепловий опір стінки (15) і визначають повний потік крізь стінку.

Q = , кВт (20)

За плавку при її тривалості годин втрати крізь стінку становитимуть;

Q = Q*τ , кВт*г (21)

⁰С

Рис2.Знаходження температури зовнішньої поверхні печі

Розрахунок для стін, склепіння і череня проводиться окремо, а потім сумується:

Q_кл= Q_ст + Q_ч + Q_скл , кВт*г (22)

2.2.2.4 Випромінювання крізь відкрите вікно, Q_вих.в

Розрахунок проводиться по формулі:

Q_вих.в =5,7 *Ф*F*τ, Вт*г (23)

де 5,7 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/(м² *К⁴)

Т₁ - внутрішня температура стін печі, К;

Т₂ - середня температура в цеху, К;

Ф - коефіцієнт діафрагмування (див.табл.Д3);

F - площа випромінювання вікна, м²;

 - тривалість роботи з відкритим вікном, г.

2.2.2.5 Випромінювання кладки і склепіння за час завантаження печі зверху Q_зав

Розрахунок провадиться окремо для склепіння і робочого простору.

Q_зав =5,7 *F*τ, Вт*г (24)

де Т₁- середня температура склепіння або робочого простору печі, за час завантаження, К;

F - поверхня, що випромінює теплоту, яка рівняється горизонтальній проекції кладки на рівні п'ят склепіння, м²;

 - тривалість завантаження. При завантаженні шихти зверху баддею робочий простір відкрито 3 хв., склепіння - 5 хв.

2.2.2.6 Втрати теплоти з газами, якi відходять Qг

Крізь зводові створи у вентиляцію або через газовідвід з печі виходять гази, якi виносять з собою фізичну i хімічну теплоту. Теплові втрати з газами складають 2-4 % вiд загальних витрат теплоти.

2.2.2.7 Втрати теплоти з охолоджуючою водою Qв

За лiтературними даними втрати теплоти з охолоджуючою водою складають 3-7 % вiд загальних витрат теплоти.

2.2.2.8 Неврахованi втрати Qнв.

Приймають 5 % вiд загальних витрат теплоти.

2.2.2.9 Електричнi втрати Qел

Електричні втрати в трансформаторі, дроселі, струмоведучих пристроях складають 8-10 % загальних витрат електроенергії.

Порівнявши підведену i витрачену теплоту визначають витрату електроенергії W, кВт*г. Одержані результати заносять в зведену таблицю балансу, з визначенням питомої ваги усіх статей (%).