Энергетическая характеристика доменного производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

36

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Цель доменного производства состоит в получении чугуна из железных руд путем их переработки в доменных печах. Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные и марганцевые руды и флюс.

Топливом для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении процесса теплом и восстановительной энергией. Кроме того, кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и облегчает прохождение газового потока в шихте доменной печи.

Железные руды вносят в доменную печь химически связанное с другими элементами железо. Восстанавливаясь и науглераживаясь в печи, железо переходит в чугун. С марганцевой рудой в доменную печь вносится марганец для получения чугуна требуемого состава.

Флюсом называются добавки, загружаемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы руды, офлюсования золы кокса и придания шлаку требуемых технологией выплавки чугуна физико-химических свойств. Для руд с кремнеземистой (кислой) пустой породой в качестве флюса используют материалы, содержащие оксиды кальция и магния: известняк и доломитизированный известняк.

Для получения высоких технико-экономических показателей доменной плавки сырье и материалы предварительно подвергают специальной подготовке.

Подробное описание производства. Основные схемы производства

Исходными материалами (шихтой) в доменном процессе являются: железная руда, марганцевая руда, агломерат, окатыши, а также горючее и флюсы. Широкое применение в шихте доменных печей получил офлюсованный агломерат (свыше 90%), который содержит 50-60% Fe при основности 1,1-1,3; расширяется применение офлюсованных окатышей. Важнейшие свойства железосодержащих шихтовых материалов, определяющие технико-экономические показатели доменной плавки: содержание железа, состав пустой породы, количество вредных примесей, а также гранулометрический состав, прочность и восстановимость. Основным горючим в доменном процессе служит каменноугольный кокс. Получает распространение плавка с заменой части кокса газообразным, жидким или твёрдым топливом, вдуваемым в горн доменной печи. В качестве флюсов используется известняк, иногда доломит.

Основные виды чугуна, выплавляемого в доменных печах: передельный чугун, используемый для производства стали в сталеплавильных агрегатах; литейный, идущий для чугунных отливок; специальные чугуны. Побочные продукты Д. п.: доменный газ [теплота сгорания 3,6-4,6 Мдж/м3 (850-1100 ккал/м3)] после очистки от пыли используется для нагрева дутья в воздухонагревателях, а также в заводских котельных установках, коксохимических, агломерационных и некоторых др. цехах; доменный шлак находит применение главным образом в промышленности строительных материалов; колошниковая пыль, выносимая из печи и улавливаемая системой газоочистки, содержащая 30-50% Fe, возвращается в шихту доменных печей после её предварительного окускования (главным образом путём агломерации).



Рис. 1. Современный доменный цех:

1 - доменная печь; 2 - чугунная лётка; 3 - чугуновозы; 4 - газоотводы; 5 - литейные дворы; 6 - воздухонагреватели; 7 - дымовая труба; 8 - воздухопроводы холодного и горячего дутья; 9 - пункт управления; 10 - пылеуловитель; 11 - аппараты тонкой газоочистки; 12 - скиповой подъёмник; 13 - бункерная эстакада; 14 - газопроводы грязного и чистого газа; 15 - лифт; 16 - агломерационная фабрика.

Доменный цех (рис. 1) завода с полным металлургическим циклом имеет, как правило, не менее 3 доменных печей с воздухонагревателями и системой газоочистки. Запас шихты (кокса на 6-12 ч, агломерата или руды, а также флюсов на 1-2 суток работы печей) хранится в бункерах эстакады (общей для всех доменных печей). На многих металлургических заводах в состав доменного цеха входит так называемый рудный двор, где хранится основной запас железных руд, укладываемых в штабеля рудными перегружателями. Формирование штабеля и забор из него материалов производятся с учётом усреднения руд. В доменном цехе имеются также машины для разливки чугуна.



Рис. 2. Доменная печь:

1 - защитные сегменты колошника; 2 - большой конус; 3 - приёмная воронка; 4 - малый конус; 5 - распределитель шихты; 6 - воронка большого конуса; 7 - наклонный мост; 8 - скип; 9 - воздушная фурма; 10 - чугунная лётка; 11 - шлаковая лётка.

Доменная печь (рис. 2) представляет собой шахтную печь круглого сечения; футерована огнеупорной кладкой (верхняя часть шамотным кирпичом, нижняя - преимущественно углеродистыми блоками). Для предотвращения разгара кладки и защиты кожуха печи от высоких температур используют холодильники, в которых циркулирует вода. Кожух печи и колошниковое устройство поддерживаются колоннами, установленными на фундаменте.

Шихта подаётся на колошник печи скипами, реже ленточными конвейерами. Скипы разгружаются в печь через приёмную воронку и засыпной аппарат, установленный на колошнике. Воздух (дутьё) от воздуходувных машин подаётся в печь через воздухонагреватели (в которых нагревается до 1000-1200 °С) и фурменные приборы, установленные по окружности горна. Через фурмы вводится также дополнительное топливо (природный газ, мазут или угольная пыль).

доменный производство энергоресурс схема

Рис. 3. Работа доменной печи

Продукты плавки выпускаются в чугуновозные и шлаковые ковши через лётки, расположенные в нижней части горна. Образующийся в печи колошниковый газ отводится через газоотводы, расположенные в куполе печи (рис. 3).

Расстояние между осью чугунной лётки и нижней кромкой большого загрузочного конуса в опущенном состоянии называется полезной высотой доменной печи, а соответствующий объём - полезным объёмом доменной печи.

Основные химические процессы в доменной печи - горение топлива и восстановление Fe, Si, Mn и др. элементов. Часть кокса расходуется на процессы восстановления, но основное количество опускается в горн и сгорает вместе с вдуваемым топливом у фурм. Газы с t 1600-2300 °С, содержащие 35-45% CO, 1-12% H2 и 45-65% N2, поднимаясь по печи, нагревают опускающуюся шихту, при этом CO и H2 частично окисляются до CO2 и H2O. Газы, выходящие из печи, имеют t 150-300 °С.

Горение у фурм. У фурм доменной печи возникают очаги горения, называемые окислительными зонами, в которых вихревое движение газов приводит к циркуляции кусков кокса. Горение кокса развивается на поверхности контакта твёрдой и газообразной фаз. При этом кислород соединяется с углеродом в сложные комплексы СхОу, которые затем распадаются. В упрощённом виде суммарный процесс горения углерода твёрдого топлива у фурм сводится к экзотермической реакции 2C + O2 = 2CO. При вдувании природного газа или мазута, в которых главной составляющей являются углеводороды (например, метан), протекает реакция с выделением CO и H2; при этом поглощается значительная часть тепла, выделяемого при сжигании С, а следовательно, понижается температура горения у фурм. Во избежание этого необходимо повышать температуру дутья и обогащать его кислородом. Положительное влияние вдувания углеводородных топлив - в повышении концентрации водорода в газе и улучшении благодаря этому его восстановительной способности.

Восстановление железа и др. элементов. В доменной печи Cu, As, Р, подобно Fe, восстанавливаясь, почти полностью переходят в чугун. Полностью восстанавливается и Zn, который затем возгоняется, переходит в газы и отлагается в порах кладки, вызывая её разрушение. Те элементы, которые образуют более прочные соединения с кислородом, чем Fe, восстанавливаются частично или совсем не восстанавливаются: V восстанавливается на 75-90%, Mn на 40-75%, Si и Ti в небольших количествах, Al, Mg и Ca не восстанавливаются.

Восстановление поступающих в доменную печь окислов Fe2O3 и Fe3O4 происходит путём последовательного отщепления кислорода по реакциям:

3Fe2O3 + CO (H2) = 2Fe3O4 + CO2 (H2O),

Fe3O4 + CO (H2) = 3FeO + CO2 (H2O).

Закись железа FeO восстанавливается до Fe газами (косвенное восстановление) и углеродом (прямое восстановление).

FeO + CO (H2) = Fe + CO2 (H2O),

FeO + C = Fe + CO.

Высшие окислы марганца MnO2, Mn2O3 и Mn3O4 восстанавливаются газами с выделением тепла. В дальнейшем MnO восстанавливается до Mn только углеродом с затратой тепла примерно в 2 раза большей, чем при восстановлении Fe. Si также восстанавливается только С при высоких температурах по эндотермической реакции:

SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO.

Степень восстановления Si и Mn зависит в основном от расхода кокса; на каждый процент повышения содержания Si в чугуне расход кокса увеличивается на 5-7%, что увеличивает количество горячих газов в печи, вызывая перегрев шахты. Обогащение дутья кислородом, обеспечивая высокий нагрев горна, уменьшает количество образующихся газов, а следовательно, и температуру в шахте печи.

Сера в доменном процессе. S вносится в доменную печь в основном коксом и переходит в газы в виде паров (SO2, H2S и др.), но большая часть остаётся в шихте (в виде FeS и CaS); при этом FeS растворяется в чугуне. Для удаления S из чугуна необходимо перевести её в соединения, нерастворимые в чугуне, например в CaS:

FeS + CaO = CaS + FeO.

Это достигается образованием в доменной печи жидкоподвижных шлаков с повышенным содержанием СаО. Восстановительная среда благоприятно влияет на этот процесс, т. к. снижает содержание FeO в шлаке. Степень обессеривания достаточно высока, и только в некоторых случаях чугун дополнительно обессеривается вне доменной печи различными реагентами.

Образование чугуна и шлака. Восстановленное в доменной печи Fe частично науглероживается в твёрдом, а затем в жидком состояниях. Содержание C в чугуне зависит от температуры чугуна и его состава. Шлак состоит из невосстановившихся окислов SiO2, AI2O3 и СаО (90-95%), MgO (2-10%), FeO (0,1-0,4%), MnO (0,3-3%), а также 1,5-2,5% S (главным образом в виде CaS). Для характеристики шлаков пользуются обычно показателем основности CaO/SiO2 или (СаО + MgO)/SiO2. Основность CaO/SiO2 для разных условий плавки колеблется в пределах 0,95-1,35%. При выплавке чугуна на коксе с повышенным содержанием S (донецкий кокс) работают на шлаках с верхним пределом основности и стремятся обеспечить содержание MgO в шлаке 6-8% и более, улучшая его жидкоподвижность.

Работа доменной печи начинается с её задувки. При этом горн и заплечики загружаются коксом, а шахта - так называемой задувочной шихтой. В полностью загруженную печь подаётся нагретое дутьё (уменьшенное количество), кокс воспламеняется, и начинается опускание материалов. Первый выпуск чугуна и шлака производится через 12-24 ч, после чего количество дутья и рудная нагрузка (отношение массы руды к массе кокса в подаче) постепенно увеличиваются, и через несколько дней после задувки доменная печь достигает нормальной производительности.

Непрерывная работа (кампания) доменной печи от задувки до выдувки (остановки на капитальный ремонт) продолжается 5-6, а в некоторых случаях 8-10 лет и более, в течение которых печь 1-2 раза останавливается на так называемый средний ремонт для замены изношенной кладки шахты. Выплавка чугуна на мощных печах за одну кампанию достигает 5-8 млн. т чугуна и более.

Управление работой (ходом) доменной печи заключается в регулировании (в соответствии с качеством сырых материалов и видом выплавляемого чугуна) состава шихты, количества, температуры и влажности дутья, а также величины подачи или последовательности загрузки отдельных компонентов шихты и уровня засыпи. Ход доменной печи контролируется измерительными приборами, регистрирующими основные параметры загрузки, дутья, колошникового газа, температуру кладки печи на разных горизонтах.

Получили распространение плавка с вдуванием дополнительных видов топлива, обогащением дутья кислородом и работа с повышенным давлением колошниковых газов. При повышении давления на колошнике уменьшается перепад давлений между низом и верхом доменной печи; это обусловливает более ровный сход шихты, улучшает восстановительную работу газов, уменьшает вынос пыли.

Доменный процесс характеризуется высокой степенью автоматизации. На современной доменной печи автоматически осуществляются все операции шихтоподачи: набор компонентов шихты с отсевом мелочи, взвешивание, транспортировка на колошник и загрузка в печь по заданной программе. Автоматически поддерживаются оптимальный уровень засыпи и распределение шихтовых материалов на колошнике, давление колошникового газа, расход воды на охлаждение, температура и влажность дутья, а также содержание в нём кислорода и расход природного газа. Автоматизировано переключение воздухонагревателей и управление режимом их нагрева. Автоматические анализаторы обеспечивают непрерывную регистрацию состава колошникового газа и дутья. Внедряются системы автоматического регулирования подачи дутья и природного газа как по общему расходу, так и по отдельным фурмам.

Новые доменные печи оснащаются системами централизованного контроля и управления, которые обеспечивают усреднение показателей приборов и подсчёт комплексных показателей работы печи. Ведутся работы по комплексной автоматизации доменного процесса, в том числе управления тепловым режимом доменной печи с помощью ЭВМ.

Показатели работы доменной печи зависят главным образом от качества сырых материалов и степени подготовки их к плавке. Основные показатели: суточная производительность доменной печи в т и расход кокса на 1 т чугуна. Производительность доменной печи объёмом 3000 м³ - 7000 т чугуна в сутки. Расход кокса на единицу выплавляемого чугуна имеет большое экономическое значение вследствие высокой стоимости кокса. Применение дополнительного топлива позволяет уменьшить расход кокса на 8-20% и снизить благодаря этому себестоимость чугуна.

Совершенствование доменного процесса направлено на улучшение подготовки сырых материалов к плавке, увеличение мощности (объёма) доменных печей, внедрение прогрессивной технологии, автоматического управления ходом доменной печи.

Методы интенсификации доменного процесса. Некоторые понятия об интенсификации. Под интенсификацией доменного процесса понимают увеличение скорости его протекания. Мерой интенсивности хода доменной печи является количество чугуна, получаемое в единицу времени в расчете на единицу полезного объема доменной печи. В условиях производства принято пользоваться обратной величиной - полезным объемом печи, затрачиваемым в течении суток на выплавку 1 т чугуна.

Этот показатель называется коэффициентом использования полезного объема доменной печи и определяется как частное от деления полезного объема печи V пол (м3) на суточную производительность печи Т (т) чугуна/сут. Чем меньше этот показатель, по абсолютному значению, тем интенсивнее протекает процесс, интенсивнее ход доменной печи.

Увеличить интенсивность хода доменной печи можно двумя путями:

1. создание условий, при которых в горн доменной печи в единицу времени можно подать большее количество дутья, расходуемого на сгорание углерода горючего;

2. создание условий, обеспечивающих снижение расхода кокса на единицу выплавляемого чугуна, если количество дутья, поступающее в горн в единицу времени, не снижается или снижается в меньшей мере, чем расход кокса.

При увеличении количества дутья, подаваемого в горн в единицу времени,

соответственно увеличивается сгорающее в единицу времени количество углерода, а следовательно, увеличивается и производительность печи. При уменьшении относительного расхода горючего и неизменном количестве дутья производительность печи также возрастает вследствие увеличения рудной нагрузки на кокс. Наиболее высокая степень интенсификации процесса достигается, когда одновременно с увеличением количества дутья имеется возможность уменьшить и относительный расход горючего.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем увеличения расхода дутья в единицу времени предполагает улучшение газодинамики процесса. Это может быть достигнуто повышением прочности агломерата, отсевом мелких фракций и улучшением однородности гранулометрического состава шихтовых материалов, повышением давления газов в рабочем пространстве печи, снижением относительного выхода шлака и улучшением его физических свойств.

Увеличение интенсивности хода доменной печи путем снижения относительного расхода кокса предполагает уменьшение тепловых затрат на процесс и применение заменителей кокса в роли теплоносителя и восстановителя.

Основными методами интенсификации доменного процесса являются:

1. совершенствование способов подготовки и улучшение качества сырых материалов;

2. высокотемпературный нагрев дутья;

3. увлажнение дутья;

4. обогащение дутья кислородом;

5. вдувание в горн углеводородосодержащих добавок;

6. комбинирование дутья;

7. повышение давления газов в рабочем пространстве доменной печи.

Наиболее важной по своему значению является подготовка сырья к плавке. Ни один из методов интенсификации доменного процесса, перечисленных в п. 2 - 7, не может дать максимального эффекта при плохом качестве сырья.

Нагрев дутья. Впервые нагретое дутье в доменном производстве применили в 1829 г. Несмотря на сравнительно невысокий нагрев дутья (150° С), показатели работы печи значительно улучшились: относительный расход горючего уменьшился на 30%, производительность печи возросла, появилась возможность увеличить количество дутья. При этом расход горючего на нагрев дутья был намного ниже полученной экономии. Впоследствии применение более нагретого дутья (350 - 400° С) на коксовых доменных печах позволило уменьшить относительный расход кокса на 25 - 35%. В настоящее время дутье нагревают до 1100-1200° С и выше.

За всю историю существования доменного производства ни одно мероприятие не дало такого снижения расхода горючего, как применение нагретого дутья.

Увлажнение дутья. Естественная влажность воздуха колеблется в значительных пределах как в течении суток, так и по временам года. Колебания влажности дутья вызывают изменения в тепловом и температурном режиме горна и в ходе восстановления, что нередко приводит к расстройствам хода печи, ухудшая технико-экономические показатели.

Устранить колебания естественной влажности можно двумя способами: осушением дутья и увлажнением дутья в таких пределах, чтобы влажность его была несколько выше естественной, но постоянной во времени.

Обогащение дутья кислородом. При обогащении дутья кислородом изменяются следующие показатели:

1. Уменьшается расход дутья на единицу сжигаемого у фурм углерода.

2. Уменьшается количество горнового газа на единицу сжигаемого у фурм углерода.

3. Повышается концентрация оксида углерода в горновом газе.

4. Значительно возрастает температура в зоне горения.

При обогащении дутья кислородом снижается перепад давления газов между горном и колошником вследствие уменьшения выхода горнового газа на единицу сжигаемого углерода и скорости движения газов в столбе шихтовых материалов.

Вдувание в горн природного газа и других добавок к дутью. При вдувании природного газа в количестве 70 - 90 м³ на 1 т чугуна расход кокса уменьшается на 10 - 14%. Экономия кокса при вдувании природного газа достигается за счет:

1. Увеличения непрямого и уменьшения прямого восстановления.

2. Замены части углерода кокса углерода природного газа.

3. Уменьшения прихода серы в печь, основности и выхода шлака вследствие уменьшения расхода кокса, вызываемого первыми двумя факторами.

Комбинированное дутье. Комбинированным принято называть дутье, включающее добавки как в виде окислителей (кислород, пар), так и восстановителей (природный газ, коксовый газ, мазут пылеугольное топливо и др.). Наибольшее распространение получило сочетание обогащения дутья кислородом с вдуванием природного газа.

Основной положительный эффект при вдувании природного газа состоит в значительном сокращении расхода кокса, а при обогащении дутья кислородом - в увеличении производительности печи. Но достижение возможного эффекта при вдувании природного газа ограничивается его отрицательными сторонами - увеличением количества горнового газа с понижением температуры в горне, а достижение возможного эффекта обогащенного кислородом дутья ограничивается, наоборот, чрезмерным повышением температуры в горне.

Повышение давления газа. Идея работы доменной печи на повышенном давлении газов была выдвинута с целью улучшения восстановительной способности газов. Однако положительное действие повышенного давления проявляется не в улучшении восстановительной способности газов, а в улучшении газодинамического режима доменной печи, при котором возможно значительное повышение производительности и снижение расхода кокса.

Повышение давления газа внутри доменной печи достигается путем пережима струи газа при помощи специального дроссельного устройства, установленного в газопроводе очищенного от пыли газа. Положительное действие повышенного давления газа заключается в том, что с увеличением давления уменьшается объем газа и его скорость, вследствие чего уменьшаются подъемная сила газа и перепад давления газа между горном и колошником. Это позволяет увеличивать массовое количество дутья, не превышая его критического объема.

Основные расчетные зависимости для конкретного производства по определению основных и дополнительных энергоресурсов

Расчёт состава доменной шихты (за исключением кокса)

Определение среднего состава железорудных материалов

,

где ?_агл и ?_окат - доля агломерата и окатышей в шихте.

Результаты расчета приведены в таблице 2.

Определяются расходы железорудной части шихты, флюса, марганцевой руды на 1 т выплавляемого чугуна. Расчет расходных коэффициентов шихты ведут по балансовым уравнениям. Обозначаются через х, y и z расходы рудной смеси, марганцевой руды и известняка.

Выход чугуна из компонентов шихты

Выход чугуна - это величина, характеризующая количество чугуна при плавке единицы данного материала. Выход чугуна определяется по элементам, содержание которых в чугуне зависит лишь от их содержания в шихте (Fe, Mn, P, As, Ni, Cu, Cr, V и др.). Содержание других элементов определяется условиями плавки (С, Si, S, Ti).

Элементы, находящиеся в шихтовых материалах, в ходе доменной плавки распределяются между чугуном, шлаком и газом. Коэффициенты распределения зависят от условий плавки и связаны с сортом выплавляемого чугуна.

Выход чугуна определяется по формуле

Таблица 7 - Определение выхода чугуна из материалов шихты

где Fe, Mn, P - содержание соответствующих элементов в данном материале; ?_Fe, ?_Mn, ?_P - коэффициенты перехода элементов в чугун, доли единиц; [Si], [C], [S] - содержание соответствующих элементов в чугуне.

При наличии других элементов, переходящих в чугун, делаются соответствующие дополнения в числителе этого выражения.

Уравнение по выходу чугуна из компонентов шихты имеет вид

Ч_р.с.•х + Ч_м.р.•у + Ч_изв.•z = 1000

Баланс марганца в компонентах шихты

Если из фактического количества марганца, внесенного каждым компонентом шихты, вычесть требуемое его количество для поддержания нужного содержания марганца в чугуне, то можно получить избыток или недостаток марганца, внесенного шихтовыми материалами.

Таблица 8 - Избыток (недостаток) марганца, внесенного компонентами шихты

Баланс основных и кислотных оксидов при заданной основности шлака

В связи с тем, что основность каждого компонента шихты будет отличаться от заданной основности шлака, то в компонентах шихты имеет место избыток или недостаток основных оксидов.

,

где - избыток или недостаток основных оксидов в компонентах шихты; СаО, MgO и т.д. - содержание соответствующих оксидов в компонентах шихты; В_шл - заданная основность шлака; 60/28 - отношение молекулярных масс SiO₂/Si; [Si] - содержание кремния в чугуне; [Si]•Ч - количество кремния, переходящее из данного компонента в чугун.

Алгебраическая сумма избытков и недостатков основных оксидов в компонентах шихты должна быть равна нулю.

Уравнение по балансу основности имеет вид

Расход флюса на ошлакование золы единицы кокса

На ошлакование золы всего кокса

Расчет расхода кокса

Для определения расхода кокса необходимо рассчитывать тепловые эквиваленты материалов доменной шихты.

Понятие о тепловых эквивалентах

Для сравнения металлургической ценности железорудных материалов используют понятие тепловых эквивалентов. Тепловой эквивалент того или иного материала представляет собой количество тепла, которое надо затратить в доменной печи для выплавки чугуна при использовании единицы (1 кг или 1 м³) этого материала.

Знаки тепловых эквивалентов горючих материалов доменной плавки (кокса, мазута, природного газа и др.) и других сырых материалов неодинаковы: отрицательны для горючих материалов, так как они не потребляют, а выделяют тепло в доменной печи, и положительны для остальных материалов шихты.

Кроме химического состава, тепловой эквивалент зависит также от ряда факторов, связанных с получением того или иного сорта чугуна при необходимых основности шлака, температуре и составе дутья и колошникового газа, с уносом тепла продуктами плавки (чугуном и шлаком) и др.

Математически тепловой эквивалент каждого шихтового материала представляет собой сумму произведений содержаний элементов или оксидов на тепловые эквиваленты этих элементов и оксидов. В общем случае тепловой эквивалент любого шихтового материала можно представить в виде:

где - тепловые эквиваленты соответствующих оксидов и элементов, кДж/кг; SiO₂, Al₂O₃, S - содержание соответствующих оксидов и элементов в данном шихтовом материале;% - коэффициент перехода серы в шлак; Z_С - тепловые потери, кДж/кг С.

Материал, обладающий меньшим тепловым эквивалентом, имеет большую металлургическую ценность, так как требует для переплава меньшее количество тепла.

Расчет тепловых эквивалентов элементов и соединений

1. Тепловой эквивалент углерода, сгорающего у фурм. При сгорании углерода у фурм в кислороде дутья по реакции С + 0,5О₂ = СО выделяется 117940, или на 1 кг С 117940/12 кДж. В печь также вносится тепло с нагретым дутьем, количество которого зависит от объема дутья. Часть тепла, вносимого в печь, уносится с колошниковым газом, поэтому это количество тепла следует вычесть. В общем виде тепловой эквивалент углерода, сгорающего у фурм, имеет вид

где ? - содержание кислорода в сухом дутье, доли единиц; f - влажность дутья, доли единиц; t_д - температура горячего дутья, °С; - энтальпия двухатомных газов при температуре дутья, кДж/м³; - энтальпия колошникового газа, кДж/м³.

2. Тепловой эквивалент углерода прямого восстановления. При прямом восстановлении для окисления углерода расходуется не нагретый воздух, а кислород шихты. В связи с этим

3. Тепловой эквивалент оксида кальция.

Известь может поступать в доменную шихту в виде сырого известняка CaCO₃, офлюсованных агломерата или окатышей (СаО будет находиться в виде силикатов или ферритов кальция) реже в свободном виде. При разложении известняка в доменной печи по реакции

СаСО₃ = СаО + СО₂ - 178500 кДж

необходимо затратить 178500/56 = 3192 кДж/кг СаО. Оксид кальция переходит в шлак. При взаимодействии СаО и SiO₂ выделяется около 1260 кДж/кг.

,

где Q_шл - энтальпия шлака, кДж/кг.

Если известь связана в силикаты кальция (офлюсованный агломерат), то экономия тепла по сравнению с первым случаем составит

Если известь находится в свободном виде, расход тепла составит

При экономии в расходе тепла

4. Тепловой эквивалент оксида кремния.

5. Тепловой эквивалент глинозема.

Теплота образования 3СаО•Al₂O₃ составляет примерно 840 кДж/кг Al₂O₃.

6. Тепловой эквивалент оксида магния.

Подобно извести MgO может находиться в доменной шихте в виде MgCO₃, силикатов магния (Mg₂SiO₄) и свободном виде.

По реакции MgCO₃ = MgO + CO₂ - 109870 кДж для разложения необходимо затратить 109870/40 = 2747 кДж/кг MgO. При ошлаковании оксида магния с образованием Mg₂SiO₄ выделяется 794 кДж/кг MgO. Следовательно

Экономия в расходе тепла, если оксид магния связан в силикат или в находится в свободном виде, соответственно составит

7. Тепловой эквивалент серы.

Для упрощения расчета принимается, что сульфидная и органическая сера находится в свободном виде. Перевод серы в шлак идет по реакции CaO + S = CaS + 0,5•O₂ - 173630 кДж/кг, или 5426 кДж/кг S. При этом следует дополнительно учитывать расход тепла на разложение известняка, необходимого для получения оксида кальция. Этот расход составит 3292•56/32 кДж/кг. Тогда тепловые эквиваленты сульфидной и органической серы

В случае сульфатной серы CaSO₄ = CaS + 2O₂ - 921190 кДж, или 28787 кДж/кг S.

8. Тепловой эквивалент фосфора.

Расход тепла на диссоциацию оксида фосфора составляет 25066 кДж/кг Р, затрата углерода на восстановление Р₂О₅ - 5С = 2Р + 5СО равна:

.

При образовании Fe₃P выделяется 4767 кДж/кг Р. Потери тепла от прямого восстановления фосфора составит 1•() кДж/кг Р.

Тепловой эквивалент фосфора

9. Тепловой эквивалент марганца.

Принимают, что восстановление марганца из высших оксидов до МnО происходит посредством СО с выделением тепла:

МnО₂ > МnО + 2902 кДж/кг Мn;

Мn₂О₃ > МnО + 832 кДж/кг Мn;

Мn₃О₄ > МnО + 315 кДж/кг Мn.

Марганец образует с углеродом устойчивый карбид, теплота образования которого составляет 584 кДж/кг Мn. Затрата углерода на образование карбида (Мn₃С) по реакции: ЗМn + С = Мn₂С составляет

Потеря тепла 0,073•q_C. На прямое восстановление 1 кг Мn по реакции МnО + С = = Мn + СО расходуется углерода



Соответственно, потеря тепла составляет 0,218 (). Из 1 единицы марганца, переходящего в чугун, получим 1 + 0,073 единицы карбида марганца. Оксид МnО уносит со шлаком Q_шл•(71/55) = 1,29•Q_шл.

При образовании в шлаке силиката марганца выделяется 496 кДж/кг Мn. Общий расход тепла на 1 кг Мn в шлаке составляет 1,29•Q_шл - 496; на разложение МnСО₃ 1751 кДж/кг Мn. На диссоциацию МnО расходуется 7388 кДж/кг Мn, тогда

;

;

;

;

;

10. Тепловой эквивалент железа.

При расчете тепловых эквивалентов железа исходят из следующих предпосылок:

а) установленная общая степень развития прямого и непрямого восстановления (R_i и r_d) распространяется и на оксиды железа;

б) все железо переходит в чугун;

в) отношение содержаний растворенного в чугуне углерода к железу принимаем равным 4: 93 = 0,043;

г) положительный эффект при восстановлении оксидов железа оксидом углерода и отрицательный тепловой эффект при восстановлении водородом пренебрежимо малы.

Расход тепла на диссоциацию FeO = Fe + 0,5O₂ - 270610 кДж составит (270610/56)•r_d (расход тепла необходим согласно условиям расчета лишь на прямое восстановление).

Потеря тепла, связанная с образованием карбида железа Fe₃C, и потеря тепла от прямого восстановления составят . Из 1 единицы железа образуется 1,043 единицы чугуна, на нагрев и расплавление которого требуется 1,043 Q_Ч кДж. Тогда

;

;

где 2554 - теплота диссоциации Fe₂O₃ на FeO и О₂, кДж/кг Fe; 1571 - теплота разложения FeCO₃, кДж/кг Fe; 424 - теплота разложения Fe₃SiО₄ на FeO и SiO₂, кДж/кг Fe.

11. Тепловой эквивалент кремния.

Принимается, что кремний находится в чугуне в виде FeSi. На диссоциацию SiO₂ = Si + О₂ расходуется 14549 кДж/кг SiO₂, а при образовании FeSi выделяется (в пересчете на 1 кг SiO₂) 1344 кДж. Потеря тепла с углеродом прямого восстановления составит ()•(24/60), так как

SiO₂ + 2С = Si + 2CO.

Из тепла, затраченного на восстановление кремния, надо вычесть тепло для перевода SiO₂ в шлак. Тогда

где Ч - выход чугуна из данного материала.

Следует обратить внимание на то, что в отличие от других эквивалентов в данном случае величину теплового эквивалента кремния рассчитывают для 1 кг соответствующего шихтового материала.

12. Тепловой эквивалент гидратной воды.

В доменной печи вода, выделяющаяся при разложении гидратов, частично разлагается по реакциям: Н₂О + СО = Н₂ + СО₂; Н₂О + С = Н₂ + СО.

Степень развития каждой реакции, как и общую степень разложения гидратной воды, определить трудно. Поэтому условно принимают, что средняя степень непрямого восстановления относится и к разлагающейся гидратной воде, а общая степень разложения гидратной воды равна 30%. Тогда

где 284260 - теплота окисления СО до СО₂, кДж; 242800 - теплота диссоциации воды, кДж; 4200 - теплота разложения гидратов и испарения гидратной воды, кДж/кг.

13. Тепловой эквивалент диоксида углерода.

Принимают, что общая степень прямого восстановления относится и к разложению СО₂ шихты по реакции СО₂ + С = 2СО. Тогда

где 284260 - теплота диссоциации СО₂, кДж.

Показатели тепловой работы доменной печи

Коэффициент полезного действия тепла.

.

Коэффициент использования тепловой энергии углерода.

Это отношение количества тепла, полученного от горения углерода до СО и СО₂ к теплопроводной способности всего сгоревшего в печи углерода (если бы горение происходило до СО₂).

Описание вторичных энергетических ресурсов, существующих в рассматриваемых системах. Энергобаланс производства

Доменный газ - побочный продукт, образующийся при производстве чугуна в доменных печах, характеризуется низкой теплотой сгорания (= 3…5 МДж/м³). Основными потребителями доменного газа являются доменные воздухонагреватели, котлы и нагревательные печи.

Ддоменный газ, на выходе из доменной печи имеет избыточное давление, значительную физическую теплоту, к тому же он еще является горючим газом. Сначала им в кауперах (воздухонагревателях) подогревают обогащенный кислородом воздух (воздух обогащается кислородом примерно на 6-8% в существующих конструкциях и на 12% в новых) до температуры порядка 9000C. Повышение количества кислорода в дутьевом воздухе позволит повысить температурный уровень в зоне плавки, уменьшить объем доменного газа с одновременным повышением его теплоты сгорания. Понижение объемов продуктов сгорания позволит повысить КПД доменной печи. Далее доменный газ можно использовать после его очистки от пыли либо сразу сжигая в котле-утилизаторе, либо для начала использовать давления доменного газа в газовых утилизационных бескомпрессорных турбинах (ГУБТ).

Потенциальная энергия избыточного давления доменного газа после современных доменных печей может использоваться в ГУБТ для выработки электрической энергии. Практически без затрат топлива ГУБТ позволяют возвратить до 40% энергии, затрачиваемой на доменное дутье. Развитие этого направления энергетики позволит производствам экономить органическое топливо и уменьшает тем самым загрязнение окружающей среды, что благоприятно сказывается на жизнедеятельности населения.

Расчет материального и теплового балансов доменной плавки

1 Материальный баланс доменной плавки

Масса дутья

1 м³ дутья весит

дутье весит

Масса природного газа

= 91,68 кг

Масса колошникового газа:

1 м³ колошникового газа весит

колошниковый газ весит

Данные материального баланса приведены в таблице 11.

Таблица 11 - Материальный баланс доменного процесса

Расчет считается верным, если невязка не превышает 0,5%.

2 Тепловой баланс доменной плавки

2. 1 Приход тепла

1. Тепло от сгорания углерода у фурм

2. Тепло от окисления углерода прямого восстановления

3. Тепло догорания монооксида углерода в диоксид углерода

4. Тепло окисления водорода кислородом шихты

5. Тепло сгорания природного газа

6. Физическое тепло дутья

Расход тепла

1. Тепло диссоциации восстанавливаемых оксидов

а) оксид железа Fe₂O₃ диссоциирует по реакции

Fe₂O₃ = 2Fe + 1,5O₂ - 827020 кДж

б) оксид железа FeO диссоциирует по реакции

FeO = Fe + 0,5O₂ - 270610 кДж

в) оксид марганца MnO диссоциирует по реакции

MnO = Mn + 0,5O₂ - 406220 кДж

г) оксид марганца Mn₃O₄ диссоциирует по реакции

Mn₃O₄ = 3Mn + 2O₂ - 1450840 кДж

д) оксид марганца MnO₂ диссоциирует по реакции

MnO₂ = Mn + O₂ - 530880 кДж

е) оксид фосфора Р₂О₅ диссоциирует по реакции

Р₂O₅ = 2Р + 2,5O₂ - 1554000 кДж

ж) часть SiO₂ диссоциирует по реакции SiO₂ = Si + O₂ - 872970 кДж



з) общий расход тепла на диссоциацию оксидов

2. Тепло на перевод серы в шлак.

Для сульфидной и органической серы реакция имеет вид

CaO + S = CaS + 0,5 О₂ - 174178.

Для сульфатной серы имеет место реакция

CaSO₄ = CaS + 2O₂ - 921178 кДж

Сульфатная сера в составе шихтовых материалов отсутствует.

3. Тепло на разложение карбонатов.

Так как карбонаты в доменной печи разлагаются полностью, то по их количеству в шихте можно определить затраты тепла на реакции разложения.

MgCO₃ = MgO + CO₂ - 101850 кДж

MnCO₃ = MnO + CO₂ - 125370 кДж

CaCO₃ = CaO + CO₂ - 178500 кДж

4. Расход тепла на разложение углекислоты флюса и летучих

В приходной части баланса учтено тепло от реакций прямого восстановления, поэтому здесь следует выделить расход тепла на диссоциацию части СО₂ флюса и летучих (пропорционально r_d).

Часть СО₂ флюса и летучих разлагается по реакции

СО₂ = СО + 0,5О₂ - 284260 кДж

5. Расход тепла на разложение влаги дутья.

Водяной пар полностью диссоциирует в фурменной зоне печи

Н₂О = Н₂ + 0,5О₂ - 242800 кДж

,

6. Расход тепла на выделение и испарение гидратной влаги.

На разложение гидратов и испарение воды расходуется 4200 кДж/кг.



7. Затраты тепла на испарение гигроскопической влаги.

Здесь учитывается нагрев гигроскопической влаги до 100 °С и её испарение, что требует 2474 кДж/кг.

Количество гигроскопической влаги

В данном примере гигроскопическая влага имеется в рудной смеси и коксе).

8. Тепло, уносимое чугуном.

Теплосодержание чугуна можно ориентировочно определять по следующим формулам

= М_ч•Q_ч

9. Тепло, уносимое шлаком.

 = М_ш•Q_ш

Унос тепла колошниковым газам.

,

где - теплосодержание компонентов колошникового газа при температуре 200 °С.

Таблица 12 - Тепловой баланс доменной плавки

К тепловым потерям относится тепло, уносимое охлаждающей водой, а также наружные тепловые потери через стены излучением и конвекцией и через фундамент теплопроводностью. В практике расчетов величину тепловых потерь находят по разности прихода и известных статей расхода тепла. В число потерь входит и величина невязки баланса. Так как истинное значение невязки баланса неизвестно, неопределенными остаются и тепловые потери.

При расчетах полагают, что величина тепловых потерь с невязкой должна составлять для передельного чугуна 4-12%, для литейного чугуна - 8-15%.

Список используемых источников

1) Бардин И.П. Доменное производство. Справочник, т. 1-2, М., 1963;

2) Вегман Е.Ф. Металлургия чугуна. М.: Металлургия, 1978;

3) Готлиб А.Д., Доменный процесс, 2 изд., М., 1966;

4) Ладыгичев М.Г. Сырье для черной металлургии: Справочное издание: В 2- х т./ Т. 1 Сырьевая база и производство окускованного сырья (сырьё, технологии, оборудование) М.; Машиностроение -1, 2001. -896 с.;

5) Леонидов Н.К., Усовершенствование конструкций доменных печей, М., 1961;

6) Павлов М.А. Сборник трудов по теории доменной плавки, т. 1, М., 1957;

7) Полтавец В.В. Доменное производство. М., 1981;

8) Юсфин Ю.С. Металлургия чугуна: Учебник для вузов. 3-е изд. перер. и доп./ М.: ИКЦ «Академ - книга», 2004-774 с. ил.;

9) Энциклопедия «Техника». - М.: Росмэн. 2006;

10) http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/85391/;

11) http://www.diclib.com/cgi-bin/d1.cgi? l=ru&base=bse&page=showid&id=22168;

12) http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/031/710.htm;

Размещено на Allbest.ru