1.2.2. Оценка потерь тепла через стены шахтной печи при стационарном теплообмене с окружающей средой

Оценим эту теплоту, которая отводится через стены домны при стационарном теплообмене с окружающей средой. Высота рабочей зоны домны равна h₁=35 м, полезный объем V= 5000 м³ .

Внутри рабочего пространства домны температура изменяется от 2000 С на лещади до 500 С на высоте колошников по линейному закону:

(1.32)

Температуру внешней поверхности домны примем равной нулю, таким образом, . Толщина стен домны: x = 0,5 м (рис. 1.9).

Плотность теплового потока q, согласно основному закону теплопроводности при стационарном теплообмене, равна:

(1.33)

Количество теплоты, которое отводится за сутки через внешнюю поверхность домны, будет:

. (1.34)

Рис. 1.9. Схема к расчету теплоотдачи от боковой поверхности домны:

коэффициент теплопроводности кладки равен 2 Вт/

При теплоте сгорания кокса L=29 МДж/кг эта теплота соответствует 24 тоннам кокса в сутки, а по стоимости – 3 600 $. При этом за год теряется МДж, стоимость этой энергии составляет около 1 314 000 $. Согласно формуле (1.34), уменьшить эти тепловые потери можно, введя дополнительную тепловую изоляцию домны. Это можно сделать, разместив между огнеупорной кладкой и кожухом домны слой из жаропрочных теплоизоляционных материалов (например, из вермикулитобетона, теплопроводность которого равна 0,08–0,1 Вт/).

1.2.3. Сущность процесса выплавки стали

Сталь – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами.

Низкоуглеродистая сталь существенно отличается по составу примесей и содержанию углерода от передельного чугуна (табл. 1.2)

Таблица 1.2

Сопоставление содержания углерода и примесей

в передельном чугуне и низкоуглеродистой стали, % [10]

Материал	С, %	Si, %	Mn, %	P, %	S, %
Передельный чугун	4–4,4	0,76–1,26	до 1,75	0,15–0,3	0,03–0,07
Сталь низко-углеродистая	0,14–0,2	0,12–0,3	0,4–0,65	0,05	0,055

Суть передела чугуна в сталь состоит в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления.

Процесс выплавки стали содержит три основных этапа [10].

Основной задачей первого этапа является удаление фосфора, одной из наиболее вредных примесей [10].

Для этого необходим основной шлак, содержащий СаО. Поэтому для уменьшения содержания фосфора плавку необходимо осуществлять в основной печи. Оксид кальция при невысоких температурах (в начале плавки) связывает ангидрид P₂O₅ , переводя его в шлак:

2P+5FeO+4CaO(4CaOP₂O₅)+5Fe+Q. (1.35)

Экзотермические реакции (с выделением теплоты) согласно принципу Ле Шателье, протекают при более низких температурах, чем эндотермические (реакции с поглощением тепла). Поэтому окисление фосфора происходит в начале плавки.

Поскольку фосфор окисляется за счет кислорода оксида железа, для ускорения этого процесса в сталеплавильную печь на первом этапе плавки добавляют железную руду, окалину, содержащие много оксидов железа. По мере накопления фосфора в шлаке его сливают, наводя новый. После расплавления шихты образуются две несмешивающиеся среды, имеющие различные плотности: металл и шлак.

Примеси, а также их соединения, растворимые в металле и шлаке, согласно закону Нерста [10], будут распределяться в металле и шлаке в определенном для данной температуры соотношении. Поэтому, изменяя состав шлака, можно добиться удаления примесей из металла в шлак. С этой целью шлак чаще сливают, наводя новый путем подачи флюса требуемого состава.

Соединения примесей, нерастворимые в металле и шлаке, в зависимости от их плотностей переходят либо в металл, либо в шлак.

Задачами второго этапа являются уменьшение содержания в металле углерода и серы [10].

Углерод окисляется с поглощением теплоты по реакции (1.36), причем это происходит при более высокой температуре в середине и конце плавки:

. (1.36)

На этом этапе также вводят руду, окалину, содержащие оксид железа, или непосредственно вдувают кислород. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода (угарного газа) выделяются из жидкого металла, вызывая эффект «кипения». Кипение не только приводит к уменьшению содержания углерода, но и способствует выравниванию температуры по объему ванны, удалению неметаллических включений, прилипающих к пузырькам СО, а также других газов. Все это в конечном счете повышает качество металла.

На этом же этапе сульфид железа растворяется в основном шлаке:

. (1.37)

Образующееся соединение CaS растворяется в шлаке, таким образом, сера удаляется в шлак.

Задачей третьего этапа является восстановление железа из оксида железа, т. е. раскисление стали [10].

Кислород, содержащийся в оксиде железа, необходимый для окисления вредных примесей на первых двух этапах плавки, снижает качество готовой стали, т. е. сам является вредной примесью.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным. При осаждающем способе в жидкую сталь вводят растворимые раскислители (ферромарганец, ферросилиций, алюминий), которые отбирают кислород у оксида железа, образуя оксиды MnO, SiO₂, Al₂O₃.

(1.38)

(1.39)

Эти оксиды легче стали, и поэтому они переходят в шлак. Однако часть их остается в стали, снижая ее свойства.

При диффузионном способе раскислители распыляют по поверхности жидкого шлака. Восстанавливая оксид железа FeO, раскислители уменьшают его содержание в шлаке. При этом восстановленное железо переходит в сталь, а в соответствии с законом распределения оксид железа FeO из стали переходит в шлак [10].

В зависимости от степени раскисления различают спокойную сталь, полностью раскисленную, кипящую сталь, раскисленную неполностью, и полуспокойную, имеющую промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей сталями.

Для изменения строения стали, придания ей определенных физико-химических или механических свойств осуществляют легирование стали, т. е. вводят в ее состав легирующие добавки. В состав легированных сталей помимо компонентов, характерных для углеродистых сталей, входят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан и др.), которые повышают качество стали и придают ей особые свойства [10].

Легирующие элементы, имеющие меньшее сродство к кислороду по сравнению с железом (Ni, Co, Mo, Cu), вводят в печь в любое время плавки, обычно вместе шихтой. Те легирующие элементы, которые способны отбирать кислород у оксида железа, вводят вместе с раскислителями в конце плавки, а иногда – непосредственно в ковш при разливке стали.