» » Способы составления теплового баланса доменной плавки
09.06.2015

Имеется три способа составления теплового баланса доменного процесса.
Рассмотрим первый, наиболее распространенный способ. Он основан на предположении, что при восстановлении каждого из элементов происходит диссоциация окисла на элемент (или низший окисел) и кислород и последующее окисление восстановителя. Хотя такое представление, как указывалось, не соответствует действительности, оно допустимо, поскольку тепловой эффект реакции не зависит от того, каким путем реакция совершается; он зависит только от начального и конечного состояния системы. Поэтому независимо от того, происходит ли восстановление путем предварительной диссоциации окисла и последующего окисления восстановителя или непосредственно в кристаллической решетке окисла, тепловой эффект процесса не изменяется.
Поэтому и тепловой баланс не изменяется, рассчитывать ли его в предположении предварительной диссоциации или с учетом окончательного теплового эффекта реакции.
Если считать, что происходит диссоциация окисла и окисление восстановителя, то приход тепла составится из следующих статей:
1. Тепло окисления углерода в углекислоту и окись углерода. В эту статью включается как горение углерода в окись на фурмах, так и окисление его в окись углерода при прямом восстановлении; сюда же входит и окисление окиси углерода в углекислоту при непрямом восстановлении. Таким образом, берется теплота окисления С в CO и CO2 независимо от пути, по которому протекал процесс, а только по начальному и конечному состоянию системы. Зная количества CO и CO2, можно подсчитать суммарный тепловой эффект окисления. Нужно учесть, однако, что углерод различных форм имеет разный тепловой эффект горения. Поскольку в коксе углерод частично аморфен, а частично кристалличен, можно, пo А.Н. Рамму, принять тепловой эффект окисления 1 кг С кокса в CO средний из эффектов окисления аморфного и кристаллического углерода — 2340 ккал. Тепло горения CO в CO2 составляет 5640 ккал, а С в CO2, следовательно, 7980 ккал.
2. Тепло, вносимое горячим дутьем. Если известны количество дутья, содержание в нем влаги и температура дутья, то, пользуясь таблицами теплоемкостей воздуха и водяного пара при разных температурах, можно подсчитать теплосодержание горячего дутья.
3. Тепло, выделяющееся при образовании шлака из пустой породы руд, золы горючего, а также извести и магнезии флюса, и тепло прочих экзотермических процессов в печи.
По С.М. Вологдину, принято подсчитывать тепло образования шлака по эмпирической формуле:
Способы составления теплового баланса доменной плавки

Здесь CaO процентное содержание извести в шлаке.
Произведение полученной величины на количество шлака дает общую величину тепла образования шлака.
С вводом офлюсованного агломерата в шихту подсчет тепла образования шлака затруднился в связи с тем, что некоторое количество силикатов образуется уже на аглоленте. Поэтому при расчете прихода тепла принимается, что в шлакообразовании участвует только CaO известняка, вводимого в доменную шихту. Статья эта вообще не может быть учтена точно, так как шлак частично диссоциирован.
Обычно из-за отсутствия данных не учитывается тепло образования метана, карбидов, силицидов, фосфидов, а также тепло, внесенное шихтовыми материалами, составляющее незначительную величину. Расход тепла слагается из следующих статей:
1. Диссоциация окислов тех элементов, которые восстанавливаются в печи, что соответствует первой статье прихода тепла. Если в ней учитывается окисление углерода в CO и CO2 в процессах восстановления, то в расходе приходится учесть теплоту диссоциации соответствующих окислов. По теп поте образования окислов и количеству восстановленных элементов можно подсчитать расход тепла. Если в печи происходит лишь частичное восстановление, например. MnO2 до МnО, то в этой статье учитывается только диссоциация MnO2→MnO + 1/2O2. Если окислы входят в состав силикатов, фосфатов, алюминатов и прочих соединений, то приходится учитывать и диссоциацию последних. Для точного учета всех этих расходов тепла недостаточно знание только химического состава материалов. Нужно знать и их минералогический состав. Так, например, химический анализ дает содержание в руде FeO или Fe2O3, но FeO может быть в соединении с Fe2O3, а может быть в соединении с SiO2, образуя те или иные силикаты. Между тем, теплота образования этих соединений различна, следовательно, различны и расходы тепла на их диссоциацию. Количества тех или иных сложных минералогических соединений часто бывают неизвестны; поэтому расчет оказывается приближенным.
2. Перевод серы в шлак и диссоциация сернистых и сернокислых соединений шихты. Приходится учитывать только реакцию перевода серы в шлак S + CaO→CaS + О — 1295 ккал/моль; FeS и FeO, участвующие в реакции обессеривания известью, образуются и распадаются в самой же печи; поэтому такие изменения на общий расход тепла не влияют. Образование других сульфидов, кроме CaS, можно учесть, если их количество известно хотя бы ориентировочно. При вводе в шихту пиритов, сульфатов или сульфидов особо приходится учитывать тепло их диссоциации.
3. Разложение карбонатов. По количеству углекислых солей в шихте можно подсчитать расход тепла на их разложение: на 1 кг CO2 при разложении CaCO3 расходуется 966 ккал, MgCO3 — 593 ккал, MnCO3 — 521 ккал, FeCO3 — 476 ккал. Иногда бывают сложные карбонаты, например, CaMg(CO2)2; теплота их разложения приведена в справочниках.
4. Разложение гидратов. Гидратная влага удаляется в парообразном состоянии. Тепло разложения гидратов по измерениям В.В. Михайлова и С.Г. Братчикова составляет 586—603 ккал/кг жидкой влаги. С учетом парообразования эта величина возрастает до 1170—1190 ккал/кг.
5. Испарение влаги шихты и перегрев водяных паров до температуры колошниковых газов. Зная количество испаряющейся влаги и теплоту испарения (586 ккал)кг), исчисляют тепло нагрева воды до 100° и испарения. Далее по температуре колошниковых газов и теплоемкости водяного пара подсчитывают тепло нагрева влаги от 100° до температуры колошника.
6. Диссоциация водяного пара и гидратной влаги. Зная, что на диссоциацию 1 м3 H2O требуется 2580 ккал, можно подсчитать тепло диссоциации влаги дутья. Некоторое количество гидратной влаги тоже диссоциирует (с одновременным образованием CO или CO2, тепло которых учтено в приходе). По А. Н. Рамму, диссоциирует 0,2—0,5 всей гидратной влаги с расходом тепла около 3800 ккал на 1 кг H2O. Иногда, при очень влажной шихте, диссоциирует и часть гигроскопической влаги, о чем можно судить по балансу H2.
7. Тепло, унесенное чугуном. Теплосодержание чугуна подсчитывается по следующи (л формулам. Для передельного (белого)
q = (35 + 0,18t) ккал/кг.

Для литейного (серого)
q = (5 + 0,215t) ккал/кг.

Здесь t — температура чугуна, составляющая для древесноугольных чугунов около 1250°; для коксовых: томасовских — 1250—1300°; для мартеновских — 1350—1450°; для ферромарганца — 1400—1450°; для литейных — 1450—1500°.
Иногда принимают следующее теплосодержание для чугунов: древесноугольных 260—270 ккал/кг, коксовых томасовских — 260—270 ккал/кг, коксовых мартеновских — 270—280 ккал/кг, бессемеровских—270—300 ккал/кг, ферросилиция — 320—330 ккал/кг, ферромарганца — 280—290 ккал/кг.
8. Тепло, унесенное шлаком. По формулам М.А. Павлова, с учетом данных В.Г. Воскобойникова, теплосодержание доменных шлаков в ккал/кг составляет:
Способы составления теплового баланса доменной плавки

Здесь t — температура шлака.
Можно принять следующие величины теплосодержания шлаков: древесноугольной плавки — 390—400 ккал/кг; коксовой плавки томасовского чугуна — 400—420 ккал/кг; мартеновского — 410—430 ккал/кг, бессемеровского — 430—450 ккал/кг, литейного — 450—480 ккал/кг, ферросилиция — 480—500 ккал/кг.
9. Тепло, унесенное газом и пылью. Если известны состав газа и его количество, а также его температура, то тепло, унесенное газом, исчисляется как сумма произведений количества каждой составной части газа на ее теплоемкость (при данной температуре) и на температуру. К этой величине добавляется теплосодержание пыли, рассчитываемое умножением ее количества на теплоемкость (0,2 ккал/кг) и на температуру газа.
10. Тепло, унесенное охлаждающей водой. Если известно количество воды, израсходованной на охлаждение каждой части печи, и ее нагрев, то сумма произведений расхода воды на температуру ее нагрева дает расход тепла по этой статье.
Если количество воды или ее нагрев учесть невозможно, то эта статья присоединяется к следующей.
11. Наружные тепловые потери через стены печи лучеиспусканием и конвекцией и через фундамент — теплопроводностью. Обычно эти величины при составлении балансов доменных печей не рассчитываются, а находятся по разности между приходом тепла и учтенными статьями расхода. Так как в расчете (или при измерениях) неизбежны ошибки и неточности, то в эту статью, наряду с искомой потерей тепла на радиацию, конвекцию и теплопроводность, входит и невязка баланса. Так как действительное значение этой невязки неизвестно, то неизвестной остается и величина потерь тепла печью. Такой прием, к сожалению, широко практикуемый, не может быть оправдан тем более, что в расчетах тепловых балансов других (кроме доменных) металлургических печей полностью подсчитываются все статьи расхода тепла, после чего определяется невязка баланса. По величине невязки баланса можно судить о точности баланса и возможности доверять ему. Только при составлении баланса доменной плавки такая невязка не обнаруживается, а в балансе всегда приход и расход как бы равны.
Обычно считают, что сумма последних двух статей — тепло, унесенное охлаждающей водой и потерянное через стены и фундаменты, должна составлять 6—9% баланса при плавке передельных чугунов, на 3—5% больше при литейных и еще больше при ферросплавах. Это является некоторым, но недостаточным контролем точности расчета и правильности выбранного расхода горючего.
Если последний выбирался по ориентировочным соображениям, а не по строгому расчету, то отклонение от указанных норм может быть отнесено за счет неудачно принятого расхода кокса или к ошибкам расчета (не всегда арифметическим), причем неизвестно, за счет какой причины их следует отнести.
Между тем, и в расчете теплового баланса проектируемой плавки, и в расчете баланса исследуемой печи можно рассчитать обе последние статьи, если производить необходимые температурные замеры (так делал еще Л. Белл) или задаться (в проектном расчете) соответствующими действительными исходными тепловыми потерями.
Для определения потерь тепла на лучеиспускание и конвекцию при исследовании баланса действующей печи может быть применена формула
Способы составления теплового баланса доменной плавки

где первым слагаемым учитывается лучеиспускание, а вторым — конвекция. Потеря через фундамент ввиду незначительности не учитывается. В формуле tк — температура кожуха, t — температура окружающего воздуха. Второй член, отвечающий конвекции, пригоден для большинства случаев, когда скорость воздуха не превышает 2—3 м/сек. Для больших скоростей следует применять другие формулы. Формула (VI, 2) может быть применена и в проектном расчете баланса, если задаться исходными температурами.
В последние годы ряд исследователей за границей и в России занимались измерением тепловых потерь с водой и в атмосферу. Обработка и анализ имеющегося экспериментального материала дали автору возможность предложить формулу для расчета тепловых потерь, пригодную в наиболее часто встречающихся случаях. Для некоторых конкретных случаев эта формула может оказаться непригодной, но она всегда пригодна для расчета баланса проектируемых доменных плавок.
Тепловые потери на 1 кг чугуна равны
Способы составления теплового баланса доменной плавки

После преобразований и упрощений выражения (VI,3) для современных печей с холодильниками можно получить
Способы составления теплового баланса доменной плавки

Как видно из формулы, расчет дает суммарное значение двух последних статей расходной части баланса.
Эта величина зависит от размеров печи (D и d), а также от системы охлаждения шахты (К). Отнесенные на единицу чугуна потери тем меньше, чем больше производительность печи. Последнее становится очевидным, если учесть, что количество тепла, теряемое через стены с водой и в атмосферу, постоянно в единицу времени (при данных размерах печи и интенсивности ее охлаждения), и потому потери тепла на единицу чугуна тем меньше, чем больше чугуна выплавляется в это время.
Можно исчислить тепловые потери по способу, предложенному А.Н. Раммом,
Способы составления теплового баланса доменной плавки

Z0 — тепловые потери при интенсивности плавки J = 1, которые составляют: при передельном чугуне 200/300 ккал/кг, при литейном 250—300 ккал/кг, при специальных чугунах 350—450 ккал/кг. Меньшие или большие значения в указанных пределах принимаются в зависимости от интенсивности водяного охлаждения, размеров печи и состояния кладки.
Подсчитав потери тепла и просуммировав статьи расхода, можно сопоставить их с суммой прихода и найти невязку баланса. При правильном принятии всех термохимических исходных данных и безошибочных расчетах невязка не превышает нескольких процентов всей суммы баланса.
Однако в балансах, рассчитанных в прошлом, приход тепла был преувеличен, так как не учитывалось, что: а) часть углерода горючего, не окисляясь, выносится из печи с колошниковой пылью и через летку; б) в коксе около половины углерода находится в виде графита, а это понижает приход тепла от окисления углерода (примерно на 3% при горении в CO) по сравнению со случаем, когда весь углерод аморфный (при древесном угле); в) иногда вследствие неправильного расчета принималось преувеличенное содержание углерода в горючем.
Второй способ составления теплового баланса отличается от первого содержанием первых статей прихода и расхода тепла. Выше указывалось, что при обычно применяемом расчете баланса по первому способу условно принимается, что любой восстановительный процесс состоит из диссоциации окисла и окисления восстановителя, почему в приходе тепла, наряду с действительно выделяемым теплом горения углерода на фурмах в окись углерода, фигурирует также и тепло окисления углерода и окиси углерода кислородом руды, а в расходе — тепло диссоциации тех окислов, из которых восстанавливаются элементы.
Однако тепло окисления углерода и окиси углерода при восстановлении элементов в доменной печи не выделяется и не используется. Фактически, как известно, процесс восстановления, совершающийся в кристаллической решетке окислов, протекает в каждом случае с определенным тепловым эффектом. Для подсчета теплового эффекта подобных реакций удобно допустить, что окислы диссоциируют (тепловой эффект их образования отрицательный), а восстановитель окисляется (тепловой эффект положительный); алгебраические суммы этих величин и дают тепловой эффект реакции. Однако удобство такого допущения к расчета эффекта реакции не значит, что диссоциация окисла и горение восстановителя действительно имеют место в доменной печи. Допущение это принято в расчете теплового баланса и оправдывается только тем, что баланс в целом не нарушается, но оно не соответствует действительности и существенно увеличивает сумму приходной и расходной статей баланса на одну и ту же величину. В расчете по второму способу это допущение исключается, и каждая восстановительная реакция учитывается комплексно, причем она фигурирует в приходе или расходе, в зависимости от того, экзотермична или эндотермична эта реакция. Так, например, процесс восстановления железа из его закиси углеродом FeO+C → Fe+CO по первому способу учитывается таким образом: в расход тепла вносится тепло диссоциации закиси железа, составляющее 64 430 ккал/моль, а в приход — тепло горения С в CO 28 080 ккал/моль. В действительности же реакция сопровождается поглощением тепла: — 64 430 + 28 080 = 36 350 ккал/моль.
В расчете по второму способу вносится только в расход 36 350 ккал/моль. Баланс в обоих случаях соблюдается, но сумма его в первом случае больше, чем во втором, на 28 080 ктл, причем 64 430 ккал по существу не поглощалось, а 28 080 ккал не выделялось. Фактически поглотилось только 36 350 ккал.
Таким образом, расчет по второму способу базируется на современных представлениях о механизме восстановительных процессов.
Однако в большинстве случаев балансы составляются по первому способу, и с этим приходится считаться. Ошибок в результате такого расчета нет; контролю баланса тепла этот метод не мешает. Анализ использования тепла и при этом расчете в большинстве случаев может быть сделан правильно, но представление о физическом тепле, выделяемом и поглощаемом в доменном процессе, будет неправильным. Когда же при анализе баланса используется вся сумма тепла или к ней относятся в процентах те или иные статьи баланса, этот анализ может оказаться ошибочным, так как действительная сумма прихода и расхода тепла по балансу, рассчитанному первым способом, неверна. В расчете по второму способу получается сумма тепла, близкая к реальному количеству тепла, выделившегося в печи или введенного в печь, так же как и израсходованного на химические и физические превращения в печи.
Расчет по третьему способу предполагает, что углерод горючего должен сгореть в CO2, т. е. полностью должна быть использована вся теплотворная способность горючего. Поэтому первая статья прихода тепла представляет собой теплотворную способность горючего. Все прочие статьи расхода и прихода остаются в том же виде, что и в балансе по первому способу, но в расходе соответственно появляются еще две статьи: потенциальное (химическое) тепло, унесенное газом, т. е. теплотворная способность колошникового газа, и химическая энергия углерода, растворенного в чугуне. Такой тепловой баланс, по существу, не является балансом тепла доменной печи, так как наряду с реальным физическим теплом он включает тепло потенциальное, которое лишь могло бы (при некоторых нереальных обстоятельствах) выделиться, но не выделилось. Такой баланс еще в большей мере, чем баланс по первому способу, увеличивает на нереальную величину приход и расход тепла, делая их, с точки зрения анализа использования тепла в печи, фиктивными.
Единственная польза такого расчета — это возможность показать использование теплотворной способности горючего в доменном процессе. Однако общеизвестно, что это использование по существу самого доменного процесса не может быть полным и всегда близко к 50%; поэтому такой наглядности и не требуется: расход кокса на единицу чугуна и теплотворная способность колошникового газа (или даже содержание CO в нем) дают об этом достаточное представление. Расчет баланса по третьему способу применяется очень редко (иногда в Германии).
В табл. 25, по А.Н. Рамму, дано сопоставление тепловых балансов одной и той же плавки, рассчитанных описанными тремя способами (расчет на 1 кг передельного чугуна в условиях Юга).
Способы составления теплового баланса доменной плавки

Некоторые статьи в табл. 25 объединены: удаление серы в шлак присоединено к диссоциации окислов; тепло образования шлака изъято из прихода и вычтено из тепла, унесенного шлаком; диссоциация влаги дутья изъята из расхода и вычтена из тепла, горения С в CO; испарение влаги присоединено к теплу, унесенному газом, и т. д.
Приход тепла от окисления при расчете по первому способу расчленен на три составляющие его части: 1) горение С в CO на фурмах; 2) окисление С в CO при прямом восстановлении, 3) окисление CO в CO2 при непрямом восстановлении. При расчете по второму способу вторые две составные части отпадают. В табл. 25 показано, что ряд статей баланса (тепло дутья, тепло газа, разложение карбонатов, физическое тепло чугуна и шлака, тепловые потери) остается неизменным при всех методах расчета, но удельный вес их различен, так как исчисляется по отношению к разным суммам баланса. По первому способу суммарный приход тепла почти вдвое больше, чем по второму, а по третьему — в два с лишним раза больше, чем по первому.