ГЛАВА 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОТЕНЦИАЛА ГОРНОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ВЫПЛАВКЕ РАЗЛИЧНЫХ
МАРОК ЧУГУНА
2.1. Аналитическое исследование и разработка метода оценки влияния
теплообменных процессов на температуру и испарение технологического материала в
фурменном очаге
В фурменном очаге (ФО) доменных печей выделяются основные энергетические
ресурсы доменного процесса – теплота и восстановительный газ. При
взаимодействии высоко нагретого дутья с топливом развиваются температуры
порядка 2000 0С и выше, во многом определяющие энергетическую эффективность
технологического процесса [62]. Теоретическая температура горения, широко
используемая для оценки энергетического потенциала технологического процесса,
является условной расчетной величиной, не учитывающей многие факторы, влияющие
на температурный потенциал горнового газа. Существует большая разница между
теоретической и действительной температурой горения, доходящая до нескольких
сотен градусов, что существенно осложняет оценку верхней границы
энергетического потенциала горновых газов, особенно при выплавке специальных
чугунов: ферромарганца, силикомарганца, ванадиевого чугуна и других [97-100].
В фурменной зоне из-за высокой температуры идет частичное испарение шихтовых
материалов, что характерно для большинства плавильных металлургических печей.
Интенсивность испарения технологических материалов определяется их
физико-химическими свойствами. Поэтому склонность к испарению элементов чугуна
можно оценить по зависимости температуры улетучивания технологических
материалов от температуры кипения, приведенной на рис. 2.1. Из рисунка видно,
что при работе как доменных, так и сталеплавильных печей, особо интенсивно
испаряется марганец, менее интенсивно железо и ванадий, ввиду более высоких
температур кипения [101-107].
Рис. 2.1. Зависимость температуры улетучивания от температуры
кипения для различных металлов и их соединений
Ранее предпринимались немногочисленные попытки оценки процессов испарения
марганца в печах [79, 108-110]. Однако тепловая сторона испарения
технологического материала или не рассматривалась совсем [79], или
анализировалась очень схематично [109, 110]. Испарение ванадия, по мнению
авторов работ [111], приводит к возникновению зон его циркуляции в печи.
Поэтому расчет действительной температуры и затрат теплоты на испарение
технологического материала в очагах горения представляет как теоретический, так
и практический интерес, особенно при анализе таких технологий, в которых идет
интенсивное испарение из зоны горения летучих компонентов: железа, марганца,
фосфора и других.
Проанализируем температурный режим фурменной зоны при работе доменной печи по
выплавке ферромарганца, многокомпонентного сплава марганца с железом и иными
элементами. По практическим данным, в печи может улетучиваться до 25 %
марганца, что существенно понижает энергетический потенциал доменного процесса,
а учитывая дороговизну марганцевой руды и затрат на восстановление марганца, в
конечном итоге уменьшает и экономическую эффективность производства
ферромарганца.
Для анализа теплоэнергетического потенциала доменных печей ниже приведен
балансовый метод расчета температуры фурменных газов, основанный на принципах
работы реактора идеального перемешивания, учитывающий испарение технологических
материалов, размеры фурменного очага, окисление элементов чугуна (марганца,
железа, ванадия), потери теплоты из очага горения на нагрев окружающих зону
материалов и фурменных приборов, разложение влаги дутья, горение углерода кокса
и топливных добавок [89, 98, 112].
Уравнение для расчета балансовой температуры ФО на один кубометр кислорода
имеет вид (алгоритм расчета приведен в Приложении А):
ТФО = (Qк + Qок + Qдсум + Qксум + Qдут+ Qинж - Qисп - Qф - Qнаг - Qвл - Qпр) /
УVіСі, (2.1)
где ТФО – балансовая температура ФО, К;
Vі – объем, занимаемый компонентами горнового газа в ФО, м3;
Сі – средняя теплоемкость компонентов горнового газа, кДж/м3 К;
Приходные статьи теплового баланса ФО, кДж:
Qк – теплота от горения кокса;
Qок – теплота от окисления элементов чугуна;
Qдсум – теплота от сжигания углерода дополнительного топлива;
Qксум – энтальпия кокса, поступающего в ФО;
Qдут – энтальпия дутья;
Qинж – энтальпия инжектируемого газа в ФО;
Расходные статьи теплового баланса ФО, кДж:
Qисп – теплота на испарение технологического материала (железа, марганца,
ванадия);
Qф – теплота на охлаждение фурм;
Qнаг – теплота на нагрев материалов, окружающих ФО;
Qвл – теплота на разложение влаги дутья;
Qпр – прочие потери теплоты на неучтенные процессы из ФО.
2.2. Исследование влияния испарения технологического материала в фурменном
очаге на балансовую температуру
Испарение технологического материала в фурменном очаге приводит к снижению
температуры в горне, особенно при выплавке марганецсодержащих специальных марок
чугуна, что связанно с затратами теплоты на его испарение.
Для расчета затрат тепла на испарения технологических материалов использованы
следующие зависимости:
, (2.2)
где gисп – удельная теплота испарения технологического материала (железа,
марганца, ванадия), кДж/кг; Vисп - интенсивность испарения, кг/м3 кислорода.
Значение Vисп определяется парциальным давлением паров технологического
материала в газовой фазе зоны горения [98, 102, 103, 112, 113]:
где m – молярная масса материала, кг/кмоль; Pобщ – давление газов в ФО, Па; VГ
– общее количество газов в фурменном очаге, м3/м3 кислорода; Рn – парциальное
давление паров технологического материала, Па.
Общее количество газов в фурменном очаге