Источниками теплоты в кислородно-конвертерном процессе является энтальпия жидкого чугуна и теплота, выделяющаяся в процессе химического взаимодействия окислителя с элементами шихтовых материалов.
Кислородный конвертер как теплотехнический агрегат относится к печам — теплогенераторам. Это связано с тем, что выделение основного количества теплоты, необходимой для нагрева металла до заданной температуры выпуска и компенсации всех тепловых потерь, происходит главным образом за счет выделения химической теплоты непосредственно в объеме металлической ванны конвертера.
Общее уравнение, характеризующее тепловую работу конвертера, может быть представлено в виде: Нж+Qэкз = Hт+Hу.г+qпτ,
где Нж — энтальпии жидкого чугуна, металла, шлака и уходящих газов соответственно; Qэкз — теплота экзотермических реакций; Нт — энтальпия металла и шлака; τ — длительность периода плавки; Ну.т — энтальпия уходящих газов; qп – все виды тепловых потерь.
Общие потери теплоты кислородного конвертера можно записать в виде суммы отдельных составляющих; qп=q1 + q2+qз+q4,
где q1— потери теплоты с водой, охлаждающей фурму;
q2— то же в окружающую среду через корпус конвертера; q3 — затраты теплоты на нагрев футеровки, в процессе продувки; q4 — потери теплоты через горловину конвертера.
Общая величина потерь теплоты зависит от ряда факторов, главными из которых являются: вместимость конвертера и его геометрическая форма, продолжительность цикла плавки, степень износа футеровки, размеры фурмы и др. Анализ каждой составляющей позволяет определить количественно величину этих потерь.
Так потери теплоты с водой, охлаждающей фурму, зависят от длительности продувки, ее размеров и удельной теплопередачи на фурму. Учитывая, что расход воды на охлаждение фурмы во время продувки поддерживается постоянным, а условия теплоотдачи от ванны к фурме изменяются от плавки к плавке незначительно, то потери теплоты с охлаждающей водой составляют обычно 0,5 … 0,6% от прихода теплоты на плавку.
Потери теплоты через корпус конвертера определяются его габаритами и степенью износа футеровки, В связи с этим вели-чина потерь теплоты в окружающую среду по ходу кампании конвертера непрерывно увеличивается. Как показывает практика, скорость нагрева кожуха конвертера без торкретирования его футеровки и в зависимости от стойкости ее рабочего слоя составляет 0,3 … 1,0° С за одну плавку. Обычно поверхность корпуса к концу кампании нагревается до 300… 350° С. В результате средняя величина потерь теплоты через корпус конвертера в окружающую среду достигает 0,3 … 0,4% от общего прихода теплоты, достигая к концу кампании 0,7… 0,9%.
Наиболее сложным является определение затрат теплоты, расходуемой на нагрев футеровки. Это обусловлено периодичностью работы конвертера и непрерывным изменением толщины футеровки. В процессе продувки огнеупорная футеровка аккумулирует теплоту, а в межпродувочные периоды футеровка охлаждается. Учитывая ее большую толщину, сравнительно низкую теплопроводность и нестационарность ее температурного поля оценить потери теплоты аналитическими способами с достаточной степенью точности в настоящее время не представляется возможным. Поэтому комплексную оценку тепловых потерь на нагрев футеровки проводят обычно экспериментально. Для этой цели в футеровку закладываются термодатчики, позволяющие непрерывно фиксировать изменение ее температуры по всей толщине на протяжении длительного времени. Анализ температурных кривых свидетельствует о том, что прогрев футеровки по ее толщине происходит постепенно. При этом можно выделить два участка, различающихся характером изменения температуры в процессе плавки, — слой, непосредственно контактирующий с расплавом, и слой, удаленный от рабочей поверхности.
Слой, примыкающий к рабочей поверхности, имеет толщину 80 … 120 мм и характеризуется нестационарностью тепловых условий. Его температура зависит от технологических периодов работы конвертера — периода продувки и межпродувочного времени. Температура глубинных слоев футеровки, удаленных от горячей поверхности на расстояние >150 мм, за время одной продувки меняется очень мало.
Оценка количества теплоты, аккумулированной кладкой за период продувки, на основании экспериментальных данных показывает, что при неритмичной работе конвертера при частых и длительных простоях она может достигать 5% от суммарного прихода теплоты за одну плавку. При ритмичной работе она ниже и колеблется в пределах 2…3%, увеличиваясь по мере износа футеровки.
Таким образом, по ходу кампании конвертера увеличиваются как потери теплоты через корпус конвертера, так и аккумулирующая способность кладки. Суммарные потери теплоты для различных условий составляют 2 … 6% от общего прихода теплоты на процесс.
Конвертерная ванна разогревается только за счет тепловыделений в зоне продувки, интенсивность которых зависит главным образом от скорости подвода окислителя и состава чугуна.
Температурный режим плавки в целом зависит от интенсивности продувки, состава чугуна и его температуры, а также от количества, вида и порядка присадки охладителей и шлакообразующих материалов.
Изменение приходной части теплового баланса может быть достигнуто за счет частичного дожигания оксида углерода в полости конвертера, использования химических теплоносителей, включая ввод твердого топлива, использование различного вида топлива для подогрева металлического лома в полости конвертера, нагрева лома или чугуна в специальных устройствах.
