Спосіб визначення приведеної теплоти (пт) металу у ванні сталеплавильного агрегату

Реферат: Спосіб визначення приведеної теплоти плавки металу (ПТ) включає вимір температури по ходу плавки. Температуру вимірюють у кінці кожного періоду плавки, визначають тривалість даних періодів і відносний перегрів металу над точкою ліквідуса і на основі отриманих даних, шляхом побудови графіка, розраховують площу кожного періоду плавки, обмежену віссю абсцис (час) і лінією збільшення відносного перегріву металу, і, підсумовуючи значення площ, визначають приведену теплоту (ПТ). UA 94415 U (12) UA 94415 U UA 94415 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі металургії чорних металів, а саме, до характеристик способів виплавки сталі, вироблених в різних плавильних агрегатах (електропіч, мартенівська піч і т.п.). Одне з головних питань виробництва сталі - це статті приходу і витрати теплової енергії, підведеної до плавильному агрегату і зв'язок його з якістю виплавлюваного металу. Необхідно знати також температуру, при якій теплова енергія підводиться до тіла. У рівноважному процесі [1, с. 18] приведена теплота (ПТ), - це кількість тепла Q i , поділена на температуру T i , при якій вона підведена до тіла, в рівноважному процесі. Для нерівноважного сталеплавильного процесу таким же чином можна визначити умовну приведену теплоту. Наприклад, через екзотермічні реакції в розплавленій ванні або з інших джерел енергії (факел полум'я в мартенівської печі, електрична дуга в електропечі, тощо) в рідкий метал надходить одиниця тепла при температурі 1450 °C або при 1550 °C. Очевидно, що дія на розплав цієї кількості тепла буде різною. Відома робота [2 - с. 607-617], в якій проаналізовано теплова робота мартенівських печей по тепловому балансу наведені статті приходу і витрати тепла, в тому числі і тепла, поглиненого розплавленим металом. Показано, що частка корисного тепла рідкого металу на весь процес плавки становить для печей ємністю 500 т, 250 т, і 185 т відповідно - 27,4 %, 27,3 % і 19,8 % від загальної витрати теплової енергії [2 - с. 613]. Недолік цієї роботи - немає і не використовуються дані про перегрів металу над точкою ліквідуса і кількістю тепла, поглинутого ванною при певному перегріві над температурою ліквідусу, також немає даних про зв'язок температурних даних плавки і будь-яких характеристик якості металу. Відома робота [3 - с. 107-108], в якій вимірювали температуру рідкого розплаву термопарою занурення по ходу плавки металу в 200-тонній мартенівської печі. Наведені графіки температур металу по ходу плавки ([3] - рис. 46; 47, с. 108). Недолік цієї роботи полягає в тому, що невідомо, яка кількість тепла (Q=?) і при якій конкретно температурі (Τ, Κ -?) це тепло підведене до розплаву. Як найближчий аналог корисної моделі вибрали роботу авторів [4 - с. 238-242]. Досліди проводили в 350-тонній мартенівській печі в період доведення плавки. При різних температурах металу (1500 або 1560 °C) в піч вводили 0,5 мульди руди для окислення домішок сталі. У період засвоєння ванною добавки руди вимірювали швидкість нагріву металу в печі. Автори роботи [4] знайшли, що одна і та ж присадка руди діє на ванну по-різному при різній її температурі. При більш високій температурі ванни присадка викликає більше зниження швидкості нагріву ванни факелом палаючого газу, в порівнянні з більш низькою температурою. Це явище не завжди враховується в сучасній практиці виробництва сталі і в способах покращення її якості. Вона пов'язана з оптимальними температурами випуску металу з печі і швидкістю видалення з нього шкідливих домішок - сірки і фосфору. Останній приклад показує, що будь-який температурний вплив на розплавлену ванну, які полягають у введенні різних матеріалів (руда, окалина, вапно тощо) або стрибкоподібній зміні режиму її нагрівання факелом полум'я газу або електричною дугою, має бути функціонально пов'язаний з її температурою в відповідний момент плавки. Таким чином, в даний час в літературі відсутні дані про приведену теплоту під час плавки сталі (ПТ) у певній її момент або про величини, пропорційні їй. Цей факт гальмує розвиток способів покращення якості сталі, пов'язаних з тепловими режимами її виплавки. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити спосіб визначення приведеної теплоти (ПТ) металу у ванні сталеплавильного агрегату, в якому за рахунок зміни теплових режимів плавки досягнуто покращення якості металу через зниження вмісту в ньому шкідливих домішок - сірки і фосфору. Для вирішення поставленої задачі в способі визначення приведеної теплоти плавки металу, що включає вимірювання зміни температури по ходу плавки металу, згідно з корисною моделлю, температуру вимірюють у кінці кожного періоду плавки, визначають тривалість даних періодів і відносний перегрів металу над точкою ліквідуса розплаву Ti / T л , де T i - поточна температура, K, T л - температура ліквідус металу, K, і на основі отриманих даних, шляхом побудови графіка, розраховують площу кожного періоду плавки, обмежену віссю абсцис (час) і лінією збільшення відносного перегріву металу, і, підсумовуючи значення площ, визначають приведену теплоту (ПТ). При цьому при плавці металу в електропечах додаткові параметри вимірюють у періоди плавлення шихти, окислення домішок, відновлення. При плавці металу в мартенівських печах параметри вимірюють у періоди плавлення шихти, доведення, чистого кипіння. Нижче наводиться послідовність обчислення ПТ . 1 UA 94415 U Елемент впливу приведеної теплоти (ПТ ) на рідку ванну можна виразити так [1 - с. 18]: ПТ  Q i , (1) Ti де: Qi - теплота, передана ванні при її температурі T i , K. З літератури відомо, що температура ліквідус різних марок сталі T л , °C може розрізнятися 5 більш ніж на 100 градусів. Наприклад, сталь 20ГСЛ має Tл  1500 C , а сталь 110М13Л Tл  1370 C [5 - с. 171]. Тому, щоб мати можливість об'єктивно порівнювати ПТ металу різного хімічного складу, при його обчисленні в корисній моделі температуру розплаву T i висловили безрозмірною величиною Ti / T л , де T i і T л наведені в градусах Кельвіна. 10 Температуру ліквідус різних марок сталі T л обчислювали за їх хімічним складом за відомою з літератури формулою [6]: Tл  1539  (70  C %  8  Si%  5  Mn%  25  S %  30  P%  3  Ni %  1.5  Cr %  3  Mo%  1  W %  2  V %)  273, К 15 . (2) При обчисленні величини ПТ зробили такі спрощення і допущення. Перше. Відомо, що при введенні у ванну печі будь-яких матеріалів (руда, вапно, феросплави тощо) температура розплаву спочатку стрибком знижується, а потім уповільнено підвищується до вихідного значення. При обчисленні ПТ наближено взяли, що температура металу в печі постійно збільшується від кінця розплавлення шихти до випуску металу з печі. Друге. У виразі (1) чисельник Q i замінили пропорційною їй величиною: Qi  K i , (3) 20 де   i - елемент часу впливу теплового джерела на розплавлену ванну; K - постійний коефіцієнт, можна прийняти умовно використовуються пропорційні величини. З виразу (1) і (3) можна записати: K  1, тому далі в розрахунках Q K i Q1 Q 2 K 1 K 2 . (4)   i    T1 T2 Ti T1 T2 Ti Величина ПТ , у відповідності з виразом (4), дорівнює: n Q i n K  i . (5) ПТ  i 1  i 1 Ti Ti З виразу (5) видно, що ПТ є сума величин елементарної теплоти для нерівноважного ПТ  25 30 сталеплавильного процесу. Для рівноважних процесів аналог цієї величини - ентропія процесу, див. наприклад, [1 - с. 17-19]. Нижче, на прикладі однієї з плавок сталі в 25 т електропечі, дана схема обчислення приведеної теплоти (ПТ ) (див. Фіг. 1). На Фіг. 1 по горизонтальній осі відкладено час плавок  від її нагрівання, хвилин. Точка А початок плавлення, точки В, F, G - відповідно, кінець періодів плавлення, окислювального і відновлювального. За вертикальної осі фігури показаний відносний перегрів металу, - Ti / Tл , 35 над точкою ліквідуса наприкінці плавлення, окислювального і відновлювального періодів, відповідно точки С, Ε, Η. Для мартенівської печі періоди плавки, на відміну від електропечі, можуть бути іншими, наприклад плавлення, доведення, чисте кипіння. Фіг. 1 має таку особливість. Згідно з формулою (1) наведена теплота залежить від двох аргументів - Q і T . Вище було відзначено, що Q пропорційна  (лінія ABFG). 40 Безрозмірна температура процесу (Ti / T л ) виражена лінією АСЕН. Щоб знайти наведену теплоту (ПТ ) , тобто відношення Q / T , потрібно від двомірного Фіг. 1 перейти до 2 UA 94415 U тривимірного зображення залежності між величинами ПТ  f (Q, T ) . Технічно це не здійсниме. Слід звернути увагу на величини координатного поля Фіг. 1. На цій фігурі є обидві величини функції ПТ - безрозмірна температура - Ti / Tл (лінія АСЕН) і елементи кількості тепла Q ~  5  , тим більша наведена теплота ПТ . ПТ і позначили ПТ ) пропорційна площі (лінія ABFG). Очевидно, чим більші величини Ti / Tл і Умовно взяли, що величина ПТ (її назвали умовної   між лініями АСЕН і ABFG. Для конкретної марки сталі в електропечі були визначені тривалість часу періодів: а) плавлення  пл ; б) окислення  ок ; б) відновлення  ві . 10 Також визначили безрозмірні температури в кінці періодів: а) плавлення, - Tпл / Tл ; б) окислення, - Tок / Tл ; б) відновлення Tві / Tл . Заштрихована область Фіг. 1 є ПТ . Для обчислення ПТ знайшли площу окремих фігур     для періодів: а) плавлення - трикутник ABC, S ABC  ( BC  AB ) / 2 ; 15 б) окислення - трапеція BCEF S BCEF  в) відновлення - трапеція FEHG S FEHG BC  EF  BF ; 2 FE  HG   FG . 2 Сумарне значення приведеної теплоти на всю плавку: ПТ заг .  S ABC  S BCEF  S EFHG .   Для порівняння величин 20 ПТ для плавок з різною садкою металу, М, т. необхідно обчислити   ПТ на тонну металу, за формулою:   ПТ на т    ПТ заг / M . (6)   Примітка по розмірності величини ПТ . Як видно з Фіг. 1 величина ПТ чисельно дорівнює площі, обмеженій ламаними лініями: а) температур АСЕН і б) часу ABFG. Це означає:  ПТ   T / T    . Відношення двох величин однієї природи, наприклад T / T - величина i л i л       25 безрозмірна, такі величини в науці називають симплексами [7 - с. 316]. Поглинене ванною тепло Q прийняте пропорційним часу  (див. (3)). Тому розмірність величини  ПТ  можна вважати       рівною умовним хв. тобто 30  ПТ    ум. хв. .       Приклади реалізації корисної моделі 1. В електродуговій печі проведена плавка сталі 30ГСЛ. Маса плавки 20 т. Час періодів плавки склав: а) плавлення  пл  35 хв.; б) окислення  ок  80 хв.; б) відновлення  ві  60 . Температури в кінці періодів: а) плавлення t пл  1540 C  1813 K , T Л  1492 C  1765 K , відношення Tпл / T л  1,0272 (за даними роботи [8 - с. 178] можна підрахувати, що період плавлення шихти закінчувався при Tпл / T л  1,023 ); 35 б) окислення t ок  1657 C  1930 K , T Л  1526 C  1799 K , Tпл / T л  1,0728 ; 3 відношення UA 94415 U в) t ві  1661 C  1934 K , T Л  1523 C  1796 K , відновлення відношення Tпл / T л  1,0768 . За отриманими значеннями величини  і відносин Ti / T л будуємо фігуру, аналогічну фігурі 1. 5 Площі окремих частин фігури 1, тобто ПТ , становили за період (розмірність величини (ум.   хв.)): а) плавлення (частина ABC Фіг. 1): ПТ пл    BC  AB 1,0272  35   18,0 ( ум. хв.) 2 2 б) окислення (частина BCEF Фіг. 1): 10 ПТ ок    BC  FE 1,0272  1,0728  BF   80  84 ,0 ( ум. хв.) 2 2 в) відновлення (частина FEHG Фіг. 1): FE  HG 1,0728  1,0768  FG   60  64 ,5 ( ум. хв.) 2 2   Сумарне значення ПТ заг . за всю плавку склало: ПТ ві    ПТ заг .  18,0  84 ,0  64 ,5  166 ,5 ( ум. хв.)   15 Питоме значення ПТ уд  166,5 / 27  6,2 ( ум. хв. / т) .   2. Проведено досліди по виплавці маловуглецевих сталей в електродугових печах садкою 8 т (3 плавки), 10 т (4 плавки), 25 т (5 плавок), 60 т (6 плавок), 80 т (4 плавки) і в 200 т мартенівської печі (3 плавки). Для плавок вирахували питоме значення ПТ уд . На Фіг. 2   наведене на тонну металу значення ПТ уд ум.хв., залежно від маси плавки. З Фіг. 2 видно, що   20 чим більше маса плавки металу, тим менша питома ПТ уд ум. хв.   З Фіг. 2 видно, що методика визначення питомого значення ПТ цілком надійна і дані по   різних плавильних агрегатах добре узгоджуються один з одним. 3. На Фіг. 3 наведені значення з видалення шкідливих домішок (сірка, фосфор) з металу залежно від ПТ уд . (ум.хв.). Початковій вміст сірки в металі ▲ і відсоток видаленої сірки Δ;   25 початковий вміст фосфору і відсоток видаленого фосфору □. Як видно з фігури, чим більше ПТ уд , (ум.хв.), тим більший відсоток видалених шкідливих домішок (сірки і фосфору) в сталі за   30 період плавки. Висновок Для плавки металу в різних сталеплавильних агрегатах (мартенівська піч, електродугова піч тощо) запропонований спосіб наближеного обчислення приведеної теплоти розплаву ПТ ( ПТ   - це тепло, поглинене ванною при конкретній температурі при збільшенні ємності плавильної печі. T ). ПТ на тонну сталі зменшується   ПТ пов'язана з різними явищами плавки металу   десульфурація, дефосфорація. Так при зміні 35   ПТ від 5 до 8 ум.хв. відсоток видаленої сірки з   металу збільшується з 50 до 60 % від початкового, а фосфору, відповідно, з 15 до 25 %. Джерела інформації: 4 UA 94415 U 5 10 15 1. Доброхотов Н.Н. Применение термодинамики в металлургии. Киев: Изд. АН Украинский ССР. - 1955. - 75 с. 2. Капустин Е.А. Тепловая работа мартеновской печи // Сталеплавильное производство. Справочник, Т. 2. – М.: Металлургия, 1964. - 527 с. 3. Кочо B.C., Г.В. Самсонов, А.Г. Стрельченко, П.С. Кислый. Непрерывный контроль температуры жидкой стали. – Киев: Изд. Техника. 1965. - 227 с. 4. Корниенко А.С., Цветков П.М., Ерошенко В.А. Кочо B.C., Самсонов B.C., Кривенко П.Т. Особенности тепло- и массаообмена в ванне качающейся мартеновской печи. Сб. "Тепло и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов". Труды 1 Всесоюзной научной конференции. - М.: Металлургия, 1975. - С. 138-242. 5. Василевский П.Ф. Технология стального литья. – М.: Машиностроение, 1974. - 408 с. 6. Расчет температуры ликвидус стали / А.Н. Смирнов, П. Неделькович, М. Джурджевич, Т.В. Ченобаева, З. Одович // Сталь. - 1996. - № 3. - С. 15-19. 7. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочникпо физике. - М.: Наука, 1964. - 848 с. 8. Глинков М.А. Тепловая работа сталеплавильных ванн. - М.: Металлургия, 1970. - 408 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 1. Спосіб визначення приведеної теплоти плавки металу (ПТ), що включає вимір температури по ходу плавки, який відрізняється тим, що температуру вимірюють у кінці кожного періоду плавки, визначають тривалість даних періодів і відносний перегрів металу над точкою ліквідуса, який дорівнює Ti / Tл , де Ti - поточна температура, K, Tл - температура ліквідус металу, K, і на основі отриманих даних, шляхом побудови графіка, розраховують площу кожного періоду плавки, обмежену віссю абсцис (час) і лінією збільшення відносного перегріву металу, і, підсумовуючи значення площ, визначають приведену теплоту (ПТ). 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при плавленні металу в електропечі додаткові параметри вимірюють у кінці періодів: плавлення шихти, окислення домішок, відновлення. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при плавленні металу в мартенівській печі додаткові параметри вимірюють у кінці періодів плавлення шихти, доведення плавки, чистого кипіння. 5 UA 94415 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6