Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Типичный тепловой баланс схематично представлен в табл. 3.11 и на рис. 3.50.
Данные табл. 3.11, и рис. 3.50 подтверждают сказанное выше, что основную долю прихода тепла составляет физическое тепло чугуна (52,5%), которое можно определить из формулы, приводимой В.А. Кудриным
где 0,74 и 0,87 - теплоёмкость твердого и жидкого чугуна соответственно, кДж/(кг-К); 0,74tпл - энтальпия твердого чугуна, нагретого до температуры плавления; 217 - скрытая теплота плавления чугуна, кДж/кг; 0,87(tф-tпл) - энтальпия жидкого чугуна при данной температуре нагрева tф.
Основная доля расходной части теплового баланса приходится на нагрев стали и шлака (72,5 и 14,2% соответственно).
Тепло нагрева стали. Физическое тепло стали Qст можно определить из выражения:
где 0,7 и 0,84 - теплоемкости твердой и жидкой стали соответственно, кДж/(кг*К); 0,7tпл - энтальпия твердой стали, нагретой до температуры плавления; 260 - скрытая теплота плавления стали, кДж/кг; 0,84(tф-tпл) - энтальпия жидкой стали, нагретой до определенной температуры
Температура плавления и теплоемкость зависят от состава стали. Для расчетов обычно принимают tпл = 1500°С. Приведенные данные свидетельствуют о том, что получение высоких значений температуры металла tф связано с заметным увеличением расхода тепла.
Тепло нагрева шлака. Физическое тепло нагрева шлака, Qшл, кДж/кг, определяется из выражения:
где Cшлtшл - энтальпия шлака; Сшл - удельная теплоемкость шлака при данной температуре, кДж/(кг*К); - температура шлака; Qпл.шл - теплота плавления шлака.
Значения удельной теплоемкости шлака и теплоты его плавления зависят от его состава. В расчетах часто принимают tшл = 1650°С, Сшл = 1,21 кДж/(кг*К), Qпл.шл = 210 кДж/кг.
В приходной части теплового баланса, кроме физического тепла чугуна, большую долю составляет тепло от окисления углерода (66% всего тепла, выделяемого в ванну химическими реакциями), и достигает максимальной величины 75% при меньшем расходе металлолома.
Значительна роль в тепловом балансе концентрации кремния в металле (сектор 4 рис. 3.50). Каждая 0,1% Si вносит в ванну конвертера 1,8 мДж на 100 кг металлошихты. Тепло реакций окисления кремния достигает 13-20% от общего количества тепла химических реакций. Значительно менее существенную роль играет содержание марганца (сектор 5). При продувке передельных чугунов тепло от окисления фосфора почти не влияет на тепловой баланс плавки.
Таким образом, углерод при переделе обычного мартеновского чугуна является главным топливом процесса. Роль углерода в тепловом балансе плавки еще более возрастает в случае предварительного обескремнивания чугуна, а также при удалении дополнительно серы и фосфора.
Если бы весь углерод окислялся до СО2, приход тепла от его окисления увеличился бы в 2,4-2,6 раза. Создание условий для достижения большей степени окисления С до СО2 в конвертере становится все более важной задачей.
Роль других элементов в тепловом балансе плавки невелика в сравнении с углеродом. Малое количество тепла поступает и от окисления железа при переходе его в шлак.
Определяющая роль углерода в тепловом балансе подтверждается примером, приводимом ниже с использованием данных таблицы 3.12.
При оценке роли различных элементов в тепловой работе конвертера недостаточно иметь сведения только о тепловых эффектах, надо также учитывать количество окислившегося элемента. Поэтому характеристика чугуна как источника тепловой энергии будет определяться его химическим составом и видом используемого дутья. Химическая энергия чугуна, которая может выделиться при полном окислении кремния, марганца, фосфора и углерода, характеризуется выражением:
где Q1 - химическая энергия чугуна, КДж/кг; [Si], [Mn], [Р], [С] - концентрация элементов; %; QSi, QMn, Qp, Qc - химические энергии элементов, кДЖ/кг.
Тепло, выделяющееся при окислении примесей, затрачивается на нагрев стали, а также шлака и компенсацию тепловых потерь.
Так как температура заливаемого чугуна 1250-1350°С, расплав необходимо нагреть на 300-350°C. Для повышения температуры необходимо затратить дополнительное количество тепла:
где Мvt - масса металла; Мi - масса шлака; Мф - масса футеровки; CМе, Сш, Сф -теплоемкость стали, шлака и футеровки.
Расчеты показывают, что в зависимости от типа процесса (основной или кислый) количество тепла на нагрев стали до температуры выпуска на единицу садки составляет 327-377 КДж/кг.
Анализ данных таблицы 3.12 показывает, что при использовании для продувки воздуха окисление углерода обеспечивает 35 - 50% необходимого тепла:
Тепловой эффект от окисления Mn кислородом воздуха невелик - 10-12% от общей потребности при содержании марганца в чугуне 0,4-1,2%.
Наиболее высокими тепловыми эффектами обладают реакции окисления кремния и фосфора. В условиях кислого бессемеровского процесса дефицит тепла компенсируется увеличением в чугуне до необходимых пределов кремния, а в условиях основного томасовского процесса - фосфора. В результате для нормального протекания этих процессов применяют чугуны строго определенного состава.
При использовании кислорода в связи с увеличением тепловых эффектов окисления примесей изменяются требования к чугуну. Расчеты показывают, что в этих условиях при окислении 4% С, содержащегося в чугуне, выделяется
что полностью обеспечивает получение тепла, необходимого для нагрева расплава до 1600-1650°С. Окисление остальных примесей приводит к значительному избытку тепла, поэтому использование лома (или руды) в кислородноконвертерном процессе обязательно.