3.3. Методика расчета теплового баланса конвертерной плавки

Составляя тепловой баланс, рассчитывают приходные статьи баланса (тепло, вносимое жидким чугуном и экзотермическими реакциями окисления и шлакообразования) и расходные (тепло, уносимое сливаемыми из конвертера сталью и шлаком, отходящими газами, различные виды потерь тепла). Тепловой баланс, в котором отражены все приходные и расходные статьи, приведен в п. 8.8. Для упрощения составления баланса в качестве исходной температуры (нулевого уровня) при выполнении тепловых расчетов принимают температуру 0 °С (273 К) и расчет ведут на 100 кг металлической шихты.

Физическое тепло Q_ф жидких чугуна или стали при температуре t, °С определяют по уравнению, кДж:

,

где G — масса металла, кг; t_пл—температура плавления (чугуна 1200, стали—1500°С);

C_ср— средняя теплоемкость в интервале температур от 0°С до t_пл [для чугуна — 0,745, для стали —0,7 кДж/(кг*К)]; q_пл — теплота плавления (чугуна — 217, стали —260 кДж/кг); Сср (ж) — средняя теплоемкость жидкого металла в интервале от t_пл до t,°С [чугуна — 0,88, стали — 0,84 кДж/ (кг • К) ].

Тепло, выделяющееся при экзотермических реакциях окисления каждого из растворенных в жидком металле элементов, определяется из соотношения Q = Gq (кДж), где G — количество окисляющегося элемента, кг; q — тепловой эффект реакции окисления элемента, кДж/кг (см. табл. 2).

Тепло Q_шл, выделяющееся при каждой из экзотермических реакций шлакообразования (взаимодействия СаО с SiO₂ либо СаО с Р₂О₅) определяется выражением, кДж:

Q_шл = Gq

где G — количество SiO₂ или Р₂О₅ в шлаке, кг; q — тепловой эффект реакции ошлакования, отнесенный к 1 кг каждого из взаимодействующих оксидов (для SiO₂ 2110 и для Р₂О₅ 4780 кДж/кг).

Физическое тепло Q_шл шлака и частиц Fе₂О₃ в дыме определяется по формуле, кДж:

Q_шл = G (C_{cp (шл)}*t+q_пл),

где G — масса шлака (или частиц Fе₂О₃), кг; t—температура шлака или частиц Fе₂О₃, °С; С_{Ср (шл)} — средняя удельная теплоемкость шлака (Fе₂О₃) в интервале температур 0 — t °С, равная 1,2 кДж/(кг*°С); q_пл — удельная теплота плавления шлака (Fe₂О₃), равная 209,5 кДж/(кг*°С).

Тепло отходящих газов Q уносимое каждой из составляющих конвертерных газов, определяется уравнением, кДж:

Q_Г = V*C_{cp (г)}*t,

где V — количество той или иной составляющей (СО, СО₂...) в конвертерном газе, м³; t — температура газа, °С; С_{Ср (г)} —средняя в пределах 0 — t °С удельная теплоемкость составляющих газа (см. табл. 4).

Потери тепла в кислородном конвертере складываются: 1) из потерь тепла в окружающую среду через корпус; 2) потерь тепла с водой, охлаждающей фурму; 3) потерь тепла на нагрев футеровки, которые можно определить как сумму потерь тепла излучением через горловину в межпродувочные периоды и в результате свободной конвекции воздуха в полости конвертера.

Потери тепла в окружающую атмосферу через футеровку и корпус можно определить как потери теплопроводностью через стенку из двух слоев огнеупора, например смолодоломита и периклазохромита, по формуле, приведенной в п. 3.2, или как потери через поверхность кожуха конвекцией Q_К в окружающую воздушную среду, кДж:

Q_К = α*( t_K –t_B )*Fτ*10³

где t_к и t_в —температуры корпуса и окружающего воздуха, °С; F — удельная площадь поверхности кожуха, м²/100 кг; τ—длительность цикла плавки, с; α — коэффициент теплоотдачи, который, как отмечалось, можно определить по формуле α = 10+0,06t Вт/ (м² • К]. Температуру кожуха характеризуют данные рис. 44; в среднем ее можно принять равной 200—250° С

Потери тепла излучением через отверстие горловины Q_г определяют по формуле, кДж-

где с₀ — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела (5,7 • 10^-8 Вт/ (м² • К⁴); t_р— температура в рабочем пространстве, °С;

F—удельная площадь отверстия, м²/100кг; τ— продолжительность излучения (от окончания продувки до начала заливки чугуна), с; Ф —коэффициент диафрагмирования отверстия (~1); 25 — температура окружающего воздуха, °С.

Потери тепла в результате свободной конвекции воздуха Q_В в рабочем пространстве можно определить по формуле, кДж:

Q_В = α*Δt*Fτ_K*10^-3,

Где α — коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/ (м² • К); Δt — разность температур поверхности футеровки и поступающего в конвертер воздуха, °С; F—удельная площадь поверхности футеровки, м²/100 кг; τ—длительность контакта футеровки с воздухом, с.

Потери тепла с водой, охлаждающей фурму Q_ф , определяют по формуле, кДж:

Q_ф = C_в*Δt*g_в*τ_Пр.

где С_в — теплоемкость воды, кДж/ (кг • К); Δt — перепад температур воды на входе и выходе из фурмы, °С; g_в — расход воды, кг/с на 100 кг; τ_Пр —длительность продувки, с.