» » Показатели тепловой работы доменной печи
09.06.2015

По данным, приведенным в табл. 25, можно вычислить одну из важнейших характеристик работы доменной печи — ее тепловой коэффициент полезного действия (к. п. д. тепла) — Kт. Как и у всякого теплового агрегата, полезным теплом доменной печи считается тепло, расходуемое на совершаемые в ней процессы.
С этой точки зрения полезно не только тепло восстановления элементов, но также тепло диссоциации карбонатов и тепло, унесенное чугуном и шлаком. Тогда неиспользуемым теплом — потерями — являются: унос тепла в колошник (газом, пылью, водяным паром, включая в последний все его теплосодержание, т. е. и тепло нагрева влаги до точки кипения, и теплоту испарения и нагрева пара до температуры колошникового газа), а также потери с охлаждающей водой и через кладку. В третьем способе к бесполезным для печи расходам тепла условно относятся еще химическое тепло газа и растворенного в чугуне углерода.
Как видно из табл. 25, тепловые потери с газом и на охлаждение равны 357 + 200 = 557 ккал, что в первом случае составляет 18,8%, а во втором — 33,6% всего баланса, т. е. тепловой к. п. д. при расчете по первому способу составляет 81,2%, а по второму — 66,4%. В расчете по третьему способу тепловой к. п. д. получается равным всего 38,3%,
Из сказанного видно, что в расчетах, использующих значение теплового к. п. д. печи, не безразлично, каким способом исчислялся баланс. Результаты расчетов получаются разные и, очевидно, наиболее достоверные при расчете по второму способу.
Расчет по третьему способу в значительной степени перестает быть необходимым в связи с возможностью исчислить другой показатель тепловой работы печи — коэффициент использования углерода в печи Kс, представляющий собой отношение тепла, полученного от окисления и горения углерода в CO и CO2, к тому теплу, которое могло бы получиться, если бы весь углерод в печи был окислен в CO2. Величина эта, аналогичная Kт, подсчитанному при построении теплового баланса по третьему способу, исходит из сравнения примерно одних и тех же величин и соответственно ей изменяется: чем больше Kт (по третьему способу), тем больше Kс.
Определить Kc можно из теплового баланса, рассчитанного по первому способу. Если приход тепла от горения и окисления С в CO и CO2 составлял 1145 + 308 + 992 = 2445 ккал на 1 кг чугуна при расходе кокса 0,8 и если в этом коксе углерода, окислившегося в CO и CO2, было 0,64 кг на 1 кг чугуна, то окислившийся углерод дал тепловое значение 1 кг 2445 : 0,64 =3830 ккал, откуда
Показатели тепловой работы доменной печи

Показатель Kc, характеризующий полноту использования теплотворной способности углерода, тесно связан с рассмотренным коэффициентом непрямого восстановления железа в печи. Очевидно, с ростом непрямого восстановления должен увеличиваться и Kc. Однако отмеченная аналогия не гарантирует безусловного во всех случаях соответствия rd и Ri показателю Kc. Это объясняется тем, что rd и Ri относятся к количеству восстанавливаемого железа (rd) или количеству отнимаемого кислорода (Ri), а показатель Кс — количеству сожженного в печи углерода. Примем следующие обозначения: С — количество сожженного углерода; CСО — количество углерода, окислившегося в CO; CСО2 — углерод, окислившийся в CO2. Тогда
Показатели тепловой работы доменной печи

Из (VI, 5) видно, что Kc — линейная функция отношения C CO2/C; следовательно, оно только тогда возрастает с ростом CСО2, если С остается неизменным. Между тем величины rd и Ri изменяются пропорционально CСО2, независимо от изменения общего расхода углерода. С уменьшением rd или увеличением Ri, когда возрастает количество образующейся CO2, пропорционально увеличивается и CСО2; однако KC при этом увеличивается только в том случае, если остается неизменным С. С увеличением же С показатель Ke может и не увеличиться. Таким образом, если rd и Ri зависят только от течения восстановительных процессов, то KC — показатель комплексный: он зависит не только от указанных химических процессов, но и от общего расхода тепла в печи, определяемого общим расходом углерода С.
В большинстве случаев KC составляет около 45—50%; при выплавке специальных чугунов он ниже указанных пределов. Иногда при работе печи с низким расходом тепла и при высокой степени непрямого восстановления показатель Kc может подняться до 60% и даже несколько выше.
Числитель приведенного выше в примере расчета RC, легко определяемый из теплового баланса, может быть подсчитан и по анализу колошникового газа. Если известно, что в газе содержится CO % окиси углерода и CO2' % углекислоты — продукта восстановления (т. е. CO2 газа без CO2 флюса), то количество тепла от горения и окисления С и CO в расчете на 1 м3 газа может быть определено так: если при горении 1 кг С в CO и CO2 выделяется тепла соответственно 2340 и 7980 ккал, то в расчете на 1 м3 CO или CO2 имеем
Показатели тепловой работы доменной печи

Для учета всего прихода тепла по первым двум статьям нужно прибавить тепло, внесенное горячим дутьем, которое подсчитывается следующим образом. Если в газе N2 % азота, то теплосодержание 100 м3 дутья равно
N2/0,79 * 0,33tд = 0,417 N2tд.

В таком случае на 100 м3 газа приходится тепла от горения, окисления и внесенного дутьем
Показатели тепловой работы доменной печи

А.Н. Похвиснев предложил определять количество тепла, которое приходится на 1 м3 кислорода, отнятого от шихты.
Очевидно, общее содержание кислорода, отнятого от шихты и внесенного дутьем, в 100 м3 газа составит (CO2 + 0,5СО). Если из этой величины вычесть кислород, внесенный дутьем, то останется кислород, отнятый от шихты в процессе восстановления. Кислород дутья можно найти по азоту; он составит при сухом дутье 21/79 N2, а при влажном βN2, где
Показатели тепловой работы доменной печи

Оказывается, что количество кислорода, отнимаемого от шихты на 1 кг чугуна, колеблется в пределах от 0,26 до 0,29 м3 (при небольших количествах металлодобавки в шихте). Это понятно, если учесть, что в шихте большая часть восстанавливаемого железа находится в виде Fe2O3, лишь некоторое количество в виде FeO, Si всегда в виде SiO2, P — в виде P2O5 и Mn — большей частью в виде MnO2, реже в виде MnO.
Если принять это количество кислорода δ, то получим
Показатели тепловой работы доменной печи

Зная температуру дутья, полный состав газа, исключая из CO2 газа ту часть, которая внесена флюсом, и рассчитывая при известной степени окисления шихты величину 8, можно в любой момент установить величину М, характеризующую тепловое состояние печи: чем больше М, тем больше тепла приходится в печи на единицу чугуна, тем более кремнистый («горячий») чугун будет получен и наоборот. Таким образом, по величине M можно было бы регулировать тепловое состояние печи, увеличивая или уменьшая количество руды в шихте на постоянную загрузку кокса или количество кокса на данное количество руды.
Использовать такой метод «скоростного баланса» пока невозможно, так как еще нет газоанализаторов, непрерывно указывающих полный состав колошникового газа.
В числителе формулы скоростного баланса содержится весь приход тепла. Однако не все это количество тепла идет на процессы, определяющие тепловое состояние печи. Как известно, часть этого тепла теряется с колошниковыми газами, охлаждающей водой и в атмосферу, часть расходуется па неизбежные процессы диссоциации пара, нагрева шлака, разложения карбонатов и т.д. Только остаток тепла идет на восстановительные процессы; именно величина этого остатка определяет тепловое состояние печи, выражаемое содержанием кремния в последующих выпусках чугуна.
Если все неизбежные потери и расходы тепла одинаковы в сравниваемых случаях и неизменны в определенном отрезке времени, расход тепла на восстановительные процессы соответствует приходу. Тогда по величине М, рассчитанной по приведенной формуле, точно можно указать направление изменений теплового состояния процесса. Если же неизбежные потери и расходы меняются, величина M может не отразить нагрева печи и восстановления кремния.
Если в числитель этой формулы внести нужные изменения, вычтя потери и неизбежные расходы, то формула отразит действительное тепловое состояние печи. Однако в этом случае нарушится точность расчета и быстрота использования формулы, так как для учета потерь и неизбежных расходов требуется знание ряда величин.
Имеется несколько предложений расчета тепла, расходуемого на металлургические цели, которые, однако, не могут претендовать на точность. Таково, например, предложенное Банзеном (1927 г.) исчисление тепла, расходуемого на металлургические цели, не учитывающее тепла, уносимого шлаком.
Иногда, исходя из тех же соображений, которые положены в основу расчета скоростного баланса, исчисляют тепловое значение 1 кг углерода в печи или используемое тепло, учитывая нагрев дутья и тепловой к. п. д. печи,
Показатели тепловой работы доменной печи

Все формулы для расчета Kc , M и Q основываются на тепловом балансе, рассчитанном по первому способу. Следовательно, все недостатки этого способа свойственны и расчетам указанных величин: предполагая, что при окислении CO в CO2 в процессах непрямого восстановления выделяется тепло, расчеты, как показано, противоречат действительности. Поэтому в тех случаях, когда исчисленные значения Kc , M или Q используются для расчета расхода кокса или для оценки теплового баланса в целом, расчеты могут дать удовлетворительные результаты, поскольку во всем тепловом балансе по первому способу соблюдено равенство расхода и прихода тепла. Однако в тех случаях, когда нужно оценить влияние на расход кокса изменений тех или иных частных условий работы печи, не связанных с изменением непрямого восстановления, расчеты с учетом Kc уже не дают удовлетворительного ответа.
В самом деле, пусть требуется определить влияние на расход кокса изменения количества металлодобавки в шихте, выхода шлака на единицу чугуна или нагрева дутья и т. д. Такие изменения требуют или, наоборот, освобождают определенные количества тепла. Это тепло выделяется только при сгорании углерода в горне. Если при этом не изменяется степень непрямого восстановления, то тепло (фиктивное) окисления CO в CO2 не играет роли; оно остается постоянным при названных изменениях в работе печи. В таком случае в основу определения изменений расхода кокса нужно положить реальное количество тепла от горения С в CO на фурмах и не учитывать тепло окисления CO в CO2. Нужно, следовательно, расчет вести на основе баланса, построенного по второму способу.
По формулам для расчета Kc, M и Q можно оценить тепловую работу печи, использовав анализ газа или данные рассчитанного уже теплового баланса. Если же необходимо произвести расчеты изменения расхода горючего от изменения тех или иных факторов, то придется прежде всего установить, сколько полезно используемого тепла можно получить от единицы кокса, причем часть этого же тепла израсходуется на нагрев шлака, образующегося из золы кокса, на разложение карбонатов флюса, нужного для ошлакования этой золы, на удаление в шлак серы кокса, часть которой будет унесена образовавшимися газами, и т. д. Учитывая сказанное, эффективное тепло 1 кг «добавочного» кокса, сжигаемого в горне, можно определить следующим образом. Тепло горения углерода 1 кг кокса, считая в нем С% углерода,
Показатели тепловой работы доменной печи

Считая, что в 1 кг кокса содержится S% серы и что в шлаке ее должно быть около 2,5%, определяем количество шлака, которое должно образоваться, чтобы растворить серу:
S*100/100*2,5 = 0,4S

(предполагая, что шлак ранее был уже насыщен серой до 2,5%). Co шлаком будет унесено тепла
Показатели тепловой работы доменной печи

Значения параметров в этой формуле могут изменяться от случая к случаю; однако это существа ее не изменит. Принимая для некоторого случая, что в коксе 84% С и 1,7% S, tl = 650° и tк = 300°, находим
[(20,26 + 0,0144 * 650 — 0,017 * 300)84 — 300 * 1,7] = 1530 ккал/кг.

Если, например, на расплавление 1 кг металлодобавки требуется около 300 ккал, то расход кокса составит 300/1530 = 0,20 кг.
Если на расплавление и нагрев 1 кг шлака требуется 400 ккал. а при разложении количества CaCO3, дающего 0,46 кг CaO в этом шлаке, требуется 760*0,46 = 350 ккал, то весь расход тепла, связанный с увеличением количества шлака, составит:
400 + 350 = 750 ккал; 750/1530 = 0,5 кг.

(Обычно принимается 0,4—0,5 единицы кокса на единицу шлака.)
При офлюсованном агломерате и полном исключении сырого известняка из шихты потребуется тепло только на нагрев и расплавление шлака (400 ккал), отчего расход кокса увеличится всего на 400/1530 = 0,26 единицы на единицу шлака.
При повышении нагрева дутья на 100° количество «добавочного» тепла на 1 кг углерода составит 4,44 * 0,32 * 100 — 142 ккал, а на 1 кг кокса
142 - 0,85 = 121; 121/1530 = 0,08 кг.

Однако эта величина не постоянна и не всегда при повышении нагрева дутья на 100° снижается расход кокса на 0,08. Как видно из дальнейшего, эта величина зависит от ряда иных, кроме учтенных в предложенной формуле, факторов.