Le bilan thermique acier B500 est essentiel pour évaluer la consommation d’énergie électrique lors de la production de cet acier dans un four à arc électrique. Cette étude identifie les facteurs influençant la porosité des billettes et analyse les propriétés chimiques des matières premières utilisées.
Calcule du bilan thermique
Le calcul de ce bilan thermique, a pour but de déterminer la consommation en énergie électrique, au cours de l’élaboration d’un acier (B500) dans le four à arc électrique avec panneaux refroidis à l’eau.
Chaleur apportée par les matières premières :
Afin d’avoir les débits en matières, les résultats obtenus sont multipliés par 1200 pour obtenir une charge de 120 tonnes.
| Tableau IV.6 : Chaleur apportée par les matières premières | ||||
|---|---|---|---|---|
| Enfournements | Quantités (Kg) | Température °C | Capacité calorifique (Kj/Kg°C) | Chaleur (Kj) |
| Ferrailles | 74528 | 25 | 0,460 | 857072 |
| Fonte | 5472 | 25 | 0,50 | 68400 |
| Fe-Si (75%) | 808,8 | 25 | 0,745 | 15063,9 |
| Fe-Mn (75%) | 1979,2 | 25 | 0,678 | 33547,44 |
| Fe-Cr (70%) | 1340,8 | 25 | 0,565 | 18938,8 |
| Fe-V (80%) | 47,2 | 25 | 0,623 | 735,14 |
| Aluminium | 88,0 | 25 | 0,899 | 1977,8 |
| Electrodes | 560 | 450 | 1,506 | 379512 |
| Coke | 480 | 25 | 0,859 | 10308 |
| Chaux | 5417,6 | 25 | 0,728 | 98600,32 |
| Spath-fluor | 840 | 25 | 0,896 | 18816 |
| Chamotte | 560 | 25 | 0,920 | 12880 |
| Minerai de fer | 800 | 500 | 1,040 | 416000 |
| Oxygène gazeux | 1528,8 | 25 | 1,334 | 50985,48 |
| Air | 4552 | 25 | 0,962 | 109475,6 |
| Total | 99002,4 | 2092312,48 | ||
Chaleur apportée par les réactions exothermiques :
- Oxydation du carbone :
30% de carbone s’oxydent sous forme de CO2 et 70% sous forme de CO. Dans les réactions sont les suivantes :
C + O2 = CO2 (q = 34080 Kj/g.atome) ; (3,63)
C + 1/2002 = CO (q = 10252 Kj/g.atome) ……(3,64) La quantité de carbone oxydé sous forme de CO2 est :
0,465. 0,3. 1200 = 167,4 Kg.
Celle sous forme de CO est de :
0,465. 0,7. 1200 = 390,6 Kg.
Donc la quantité de chaleur totale dégagée sera :
167,4. 34080 + 390,6. 10252 = 9709423,2. Kg.
- Oxydation du silicium Si + O2 = SiO2 (q = 820 Kj/g.atome)
La chaleur dégagée est de :
820. 0,335. 1200. 1000/28 = 11772857,1 Kj.
Pendant cette période, une certaine quantité de silicium s’oxyde par FeO du laitier en quantité de 0,0309 Kg. Ceci selon la réaction :
[Si] + 2(FeO) + 2[Fe] (q = 299 Kj/g.atome) (3,66)
La chaleur dégagée sera :
0,309. 1200. 299. 1000/28 = 3959614,2 Kj.
Donc la chaleur dégagée par le silicium sera de : 11772857,1 + 3959614,2 = 15732471,3 Kj.
- Oxydation du manganèse :
[Mn] + ½ O2 = (MnO) (q = 361 Kj/g.atome)……(3,67) La chaleur dégagée sera :
0,308. 1200. 361. 1000/55 = 2425920 Kj.
- Oxydation de l’aluminium :
2 [Al] + 3/2 O2 = (Al2O3) (q = 110 Kj/g.atome)……(3,68)
La quantité de l’aluminium oxydée est de :
0,322. 54/102 = 0,170 Kg.
La chaleur dégagée sera :
0,170. 1200. 110. 1000/54 = 415555,55 Kj.
- Oxydation du phosphore :
4/5 [P] + O2 = 2/5 (P2O5) (q = 618 Kj/g.atome)….(3,69)
La chaleur dégagée sera :
0,042. 1200. 618. 1000/31 = 1004748,38 Kj.
- Oxydation du fer :
2 [Fe] + 3/2 O2 = (Fe2O3) (q = 399 Kj/g.atome) ; [Fe] + 1/2 O2 = (FeO) (q = 328 Kj/g.atome).
La chaleur dégagée sera :
0,46. 1200. 399. 1000/56 = 3933000 Kj.
0,26. 1200. 238. 1000/56 = 1326000 Kj.
Chaleur des réactions de scorification :
– SiO2 dans le laitier : 0,717. 1200 = 860,4 Kg.
L’interaction de SiO2 avec CaO se fait selon la réaction :
2 (CaO) + (SiO2) = (CaO2.SiO2) (q = 117 Kj/g.atome)…… (3,72) La chaleur qui s’en dégage est de :
117. 1000.860,4.1200/60 = 1677780 Kj.
– P2O5 dans le laitier :
La quantité de P2O5 dans le laitier est de 0,0692 Kg/100Kg L’oxyde de PO réagit avec CaO selon la réaction :
4(CaO) + (P2O5) = (CaO)4. (P2O5) (q = 670 Kj/g.atome) (3,73)
Donc la quantité de chaleur dégagée sera :
0,0962. 1200. 670. 1000/142 = 544681,96 Kj.
– Le soufre :
Le soufre passe dans le laitier, lors de la période de désoxydation selon la réaction : [FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) (q = 34,15 Kj/g.atome) …. (3,74)
La chaleur dégagée est de :
0,0299. 1200. 34,15. 1000/32 = 38290,68 Kj.
– L’aluminium :
Sa dissolution dans le métal donne une chaleur de : (q = 43 Kj/g.atome) Donc la chaleur dégagée par la dissolution de 0,03 Kg est de :
0,03. 1200. 43. 1000/27 = 57333,33 Kj.
Alors le total de la chaleur des réactions exothermiques est de : 20743993,5 Kj. 16116441 Kj.
Sortie de chaleur :
Absorption de chaleur par les réactions endothermique :
- Désulfuration du métal :
- Chauffage et vaporisation de l’humidité :
- La décomposition de Fe2O3 :
- Dissolution du coke :
Elle se produit selon laitier blanc, selon la réaction :
[FeS] + [CaO] + Cgr = (CaS) + Fe + CO
Pour éliminer 0,035 Kg de soufre du métal, il faut dépenser une chaleur de : 0,035. 1200. 97,5. 1000/32 = 127968,75 Kj.
Cette humidité est apportée par le minerai de fer par l’air. Le chauffage de la vapeur jusqu’à 1200°C demande : 43276 Kj.
La chaleur latente de vaporisation est égale à 40374 Kj. Pour le chauffage d’une mole d’eau jusqu’à 100°C, sa vaporisation et son chauffage jusqu’à 1200°C, il est nécessaire de dispenser : 91074 Kj/mole. La chaleur indispensable à son chauffage sera de :
91074. 2202.1200 = 1336965Kj.
Fe2O3 provient du minerai de fer, sa décomposition se déroule d’après la réaction : (Fe2O3) = 2 Fe + 3/2 O2 (q = 799 Kj/mole)….. (3,76)
1 Kg de minerai de fer donne 0,63 Kh de fer, soit 0,9 Kg de Fe2O3. La chaleur nécessaire à sa décomposition est de :
799. 1000. 0,9. 1200/160 = 5393250 Kj.
Le carbone du coke se dissout dans le métal en quantité de :
0,174 Kg et ceci en absorbant 22,6 Kj/g.atome. La dissolution demande une énergie de :
22,6. 1000. 0,174. 800/12 = 393240 Kj.
Les réactions endothermiques exigent en total une énergie de : 7251423,75 Kj. Chaleur du métal :
Le poids de la coulée est de 98,599. 1200 = 118318,8Kg.
Pour fondre la charge et porter sa température jusqu’à 1635°C, il faut fournir une énergie de : 118318,8. (0,7. 1510 + 285 + 0,84 (1635 – 1510)) = 171207303,6 Kj ;
Avec : 0,7 Kj/Kg°C – capacité calorifique de l’acier solide ; 0,84 Kj/Kg°C – capacité calorifique de l’acier liquide ;
/Kh°C – chaleur latente de fusion de l’acier. Chaleur du laitier de fusion :
Après la fusion de charge, on décrasse 95%, Donc la quantité de laitier oxydé est de :
6,39. 0,95 = 6,071 Kg.
Donc la chaleur emportée par le laitier de fusion est de :
6,071. 1200. (1,17. 1500 + 209) = 14308132,8 Kj.
Où : 1,17 : la capacité calorifique du laitier basique ; 209/Kg.atome : chaleur latente de fusion du laitier.
- Chaleur du laitier oxydant :
- Chaleur du laitier blanc :
- Chaleur emportée par les gaz :
- Chaleur emportée par FeO volatilisé :
La température du laitier oxydant est de 1660°C, sa capacité calorifique est de 1,214 Kj/Kg°C. Il emporte une énergie de :
6,071. 800 (1,214. 1660 + 209) = 16204033,248 Kj.
Le poids de ce laitier est de 6,36. 1200 = 7632 Kg, sa température est de 1630°c, sa capacité calorifique est de 1,215 Kj/Kg°C et il emporte une chaleur de :
7632. (1,2150. 1630 + 209) = 16709882,4 Kj.
La quantité de CO et de CO2 dégagée lors des périodes de fusion et de désoxydation sont respectivement :
0,448 + 1,085 = 1,533 Kg ; et
0,704 + 2,409 = 3,113 Kg. Donc ils emportent une chaleur de :
1,533. 1200. 34,43. 1200/28 = 2714461,2 Kj (pour CO).
3,113. 1200. 47,05. 1200/44 = 4793454Kj (pour CO2).
34,43 Kj/Kg°C : capacité calorifique de CO à 1200°C. 47,05 Kj/Kg°C : capacité calorifique de CO2 à 1200°C. La quantité de SiF4 est de 0,221. 1200 = 265,2 Kg ; Celle de N2 est de (4,58 + 1,72). 1200 = 7560 Kg.
Donc la chaleur de SiF4 est de 265,2. 110,08. 12000/104 = 3368448 Kj ; Celle de N2, est de : 7560. 34,13. 1200/28 = 11058120 Kj.
Donc la chaleur totale emportée par les gaz est de :2714461,2 + 4793454 + 3368448 + 11058120 = 219344832 Kj.
Pour notre cas, les 100% de FeO volatilisé s’échappent avec les fumées : Les quantités de fer oxydées sont de :
0,43 + 0,26 = 0,69 Kg ; donc 0,69. 1200 = 828Kg.
La température de FeO est de 1300°C, sa capacité calorifique est de 52,82 Kj/Kg°C, donc la chaleur emportée par les poussières est de : 828. 52,82. 1300/72 = 789659 Kj.
Pertes de chaleur avec l’eau refroidissante :
Les pertes de chaleur avec l’eau refroidissante sont déjà calculées dans le bilan thermique précédent, et elles sont de 156900000 Kj.
Pertes de chaleur par rayonnement à travers les portes ouvertes : (Elles sont de 1833825 Kj). Pertes de chaleur par ouvert et voute ouverte pendant le chargement : (elles sont de 2048122 Kj). Pertes de chaleur par les électrodes lors du chargement : (elles sont de 3079269 Kj).
Détermination de l’énergie électrique :
L’équation du bilan thermique est la suivante :
OE + OO + OMP + OFr = OA + OL + OFm + Ore = la somme des pertes…..(3,77)
OE = (171207303,6 + 28320242 + 12135232 +7251423,75 + 163861217) – (16116441 + 2092312,48 + 857072) = 363709593 Kj.
Bilan thermique :
| Tableau IV.7 : Bilan thermique (Entrées) | ||
|---|---|---|
| Entrées | Kj | % |
| 1_ Energie électrique | 363709593 | 95,01 |
| 2_ Ferrailles | 857072 | 0,22 |
| 3_Matiéres premières | 2092312,48 | 0,55 |
| 4_Réaction exothermiques | 16116441 | 4,22 |
| Total | 382775418,48 | 100 |
(a)
| Tableau IV.7 : Bilan thermique (Sorties) | ||
|---|---|---|
| Sorties | Kj | % |
| 1_ Acier | 171207303,6 | 44,72 |
| 2_ Laitier | 28320242 | 7,4 |
| 3_ Réactions endothermique | 7251423,75 | 1,9 |
| 4_ Fumées | 12135232 | 3,18 |
| 5_ Somme des pertes | 163861217 | 42,8 |
| Total | 382775418,35 | 100 |
(b)
Ainsi l’énergie électrique totale dépensée est de 304.223.349,5 Kj ou 84.741.880,08 KWh. Si on procède au préchauffage de la ferraille par le gaz naturel jusqu’à une température de 700°C, on économisera une quantité d’énergie électrique suivante :
La température de coulée est de 1635°C, donc :
Pour chauffer l’acier jusqu’à 1635°C, il faut 84.741.880,08 KWh et pour chauffer l’acier à partir de 1635-700 = 935°C on économise :
1635°C 100% d’énergie.
700 X%, d’ici : X = 935.100/1635 = 42,81% soit 84.741.880,08 KWh x 0,428 = 36269524,674 KWh.
A part cela, il existe d’autres moyens connus qui permettent d’économiser de l’énergie électrique, on citer entres autres :
- Un tri sélectif de la ferraille.
- Le chargement de la ferraille en un seul panier par empaquetage.
- Le déroulement du processus à un seul laitier.
- Le préchauffage des ferroalliages.
- Le soufflage d’oxygène gazeux.
- Une température de coulée stricte