Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Новотроицкий филиал

Федерального государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов»

Кафедра металлургических технологий

Курсовая работа

по дисциплине «Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья»

РАСЧЕТ СОСТАВА ШИХТЫ, МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА

Новотроицк, 2012

Содержание

Введение

1. Примерный расчёт шихты

1.1 Исходные данные

1.2 Расчет состава доменной шихты (за исключением кокса)

1.2.1 Определение среднего состава железорудных материалов

1.2.2 Выход чугуна из компонентов шихты

1.2.3 Баланс марганца в компонентах шихты

1.2.4 Баланс основных и кислотных оксидов при заданной основности шлака

1.3 Расчет расхода кокса

1.3.1 Понятие о тепловых эквивалентах

1.3.2 Расчет тепловых эквивалентов элементов и соединений

1.3.3 Расчет тепловых эквивалентов компонентов доменной шихты и дополнительного топлива

1.4 Определение удельного расхода компонентов шихты и состава шлака, проверка состава чугуна и основности шлака

1.4.1 Расчет компонентов шихты

1.4.2 Расчет состава шлака, проверка состава чугуна и основности шлака

1.4.3 Определение температуры плавления шлака и его вязкости

2. Расчёт состава и количества колошникового газа и дутья

2.1 Баланс углерода

2.2 Расчет количества дутья

2.3 Количество и состав колошникового газа

3. Расчет материального и теплового балансов доменной плавки

3.1 Материальный баланс доменной плавки

3.2 Тепловой баланс доменной плавки

3.2.1 Приход тепла

3.2.2 Расход тепла

3.2.3 Показатели тепловой работы доменной печи

Введение

доменный шихта шлак кокс колошниковый

Расчеты расхода компонентов шихты проводят различными способами. Научную базу для расчетов заложили работы А.Н. Рамма, который впервые объединил в одних уравнениях материальные и тепловые показатели и ввел понятие тепловых эквивалентов материалов. Расчеты по методу Рамма широко используют в проектных и исследовательских разработках.

А.Н. Похвиснев упростил методику А.Н. Рамма, сделав ее пригодной для единичных вычислений. Эта методика приводится в курсовой работе.

Расчеты шихты проводятся обычно при замене в шихте одних материалов другими, при переводе печи на выплавку другого вида чугуна, при проектировании новых печей.

Расчет выполняется на единицу чугуна. При вводе в шихту нескольких сортов руд или их заменителей, соотношение между ними устанавливается из условия обеспечения необходимого содержания железа или других составляющих в смеси.

При расчете материального баланса достаточно данных, полученных при расчете шихты. Баланс должен сходиться с весьма малой невязкой.

При расчете теплового баланса определяется количество тепла, образующегося в печи в результате протекания тех или иных процессов и тепла, теряемого с колошниковой пылью и газом, охлаждающей водой и во внешнее пространство.

По данным теплового баланса вычисляется тепловой коэффициент полезного действия доменной печи и тепловой коэффициент использования углерода.

1. Примерный расчёт шихты

1.1 Исходные данные

Расчёт шихты проводится на 1 т чугуна.

1. Для примерного расчета шихты состав чугуна представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Состав чугуна

Содержание элементов, %
Si	Mn	P	S	C	Fe
2,4	0,9	0,12	0,04	3,5	93,04

2. Железорудная часть шихты состоит из 50% офлюсованного агломерата и 50% неофлюсованных окатышей.

Таблица 2 - Состав материалов

3. Состав марганцевой руды, флюса и кокса приведен ниже, состав золы кокса и пересчет ее в состав кокса представлен в таблице 2.

Таблица 3 - Химический состав марганцевой руды (Чиатурская)

Таблица 4 - Химический состав известняка (Еленовский)

Таблица 5 - Состав кокса и летучих

Содержание, %
Состав кокса
Зола Ас	Сера Sс	Летучие	Углерод Сс	Н2Огигр
14,2	0,44	1,91	83,45	2,5
Состав летучих кокса
CO2	CO	CH4	H2	N2
29,0	34,0	1,0	4,0	32,0

4. В качестве дополнительного топлива используется природный газ. Расход природного газа 100 м³/ т чугуна.

Таблица 6 - Состав природного газа

CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12
90,0	4,0	1,0	0	0,6

5. Условия доменной плавки.

а) Основность доменного шлака 1,0.

б) Температура горячего дутья 1200 °С.

в) Состав сухого дутья: содержание кислорода в дутье ? = 0,23; содержание азота (1 - ?) = 0,77.

г) Влажность дутья f = 1,0% (по объему).

д) Степень развития прямого восстановления r_d = 0,28.

е) Степень использования восстановительной способности водорода 0,3-0,5. В расчете принята = 0,4.

ж) Температура отходящих газов 200 °С.

з) Энтальпия чугуна ориентировочно определяется по следующим формулам

Q_чугуна = 147 + 0,756•t для передельного чугуна

Q_чугуна = (21 + 0,903•t) для литейного чугуна.

где t - температура чугуна, составляющая 1400-1450 °С - для передельного чугуна и 1450-1500 °С - для литейного чугуна (в расчете температура чугуна на выпуске 1405°С).

Q_чугуна = 147 + 0,756•1405 = 1209,18 кДж.

и) Энтальпия шлака определяется по формуле

Q_шлака = 1459,5 + 2,1•(t - 1300) при t_{пл шлака} = 1300-1450 °С,

Q_шлака = 1774,5 + 1,68•(t - 1450) при t_{пл шлака} > 1450 °С.

где t - температура шлака (1450 °С).

Q_шлака = 1459,5 + 2,1•(1450 - 1300) = 1774,5 кДж.

к) Тепловые потери включают: тепло, унесенное охлаждающей водой, тепловые потери через стены доменной печи лучеиспусканием и конвекцией. Величина тепловых потерь от 1260 до 2100 кДж/кг С_кокса. В расчете принято 1260 кДж/кг С_кокса.

л) Вынос рудной смеси с колошниковыми газами 2,2%, вынос кокса - 0,7%.

м) На образование метана расходуется = 0,8% углерода кокса.

1.2 Расчёт состава доменной шихты (за исключением кокса)

1.2.1 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.

1.2.2 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

0,611х + 0,219у = 1000

1.2.3 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

Уравнение по балансу марганца принимает вид

- 0,502х + 20,362у = 0.

1.2.4 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

Тогда

3,22х -26,474у + 51,8z = 0.

Расход флюса на ошлакование золы единицы кокса



На ошлакование золы всего кокса

Таким образом, получается систему следующих уравнений:

Решив систему уравнений можно получить

х = 1622,324 кг

у = 39,996 кг

z = 80,413 кг.

1.3 Расчет расхода кокса

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

1.3.1 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.

1.3.2 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.

1.3.3 Расчет тепловых эквивалентов компонентов доменной шихты и дополнительного топлива

Зная данные о тепловых эквивалентах о тепловых эквивалентах отдельных элементов и их соединений, а также химический состав материалов, можно определить их тепловые эквиваленты, используя общую формулу (q_м) приведенную в пункте 1.3.1.

1. Тепловой эквивалент железорудной смеси.

2. Тепловой эквивалент марганцевой руды.



3. Тепловой эквивалент флюса.

Затраты тепла на образование и усвоение СаО и MgO учтены в тепловых эквивалентах SiO₂ и Аl₂О₃ шихты.

4. Тепловой эквивалент природного газа.

При неполном горении составляющих природного газа (при нормальных условиях) выделяется тепло:

СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂ + 1660 кДж/м³ СО;

С₂Н₆ + О₂ = 2СО + ЗН₂ + 3040 кДж/м³ СО;

C₃H₈ + 1,5О₂ = ЗСО + 4Н₂ + 3380 кДж/м³ СО;

С₄Н₁₀ + 2О₂ = 4СО + 5Н₂ + 3460 кДж/м³ СО;

С₅Н₁₂ + 2,5О₂ = 5CO + 6Н₂ + 3625 кДж/м³ СО,



где и т. д. - выход СО из соответствующих соединений природного газа, м³/м³; V_д - количество дутья, необходимое для сжигания 1 м³ природного газа, м³/м³; - энтальпия влажного дутья, кДж/м³; - количество продуктов сгорания природного газа, м³/м³; - энтальпия колошникового газа, образовавшегося при сжигании 1 м³ природного газа, кДж.

Расчет неизвестных величин проводится последовательно.

а) Определяется масса природного газа вдуваемого на 1 т чугуна.

масса 120 м³ природного газа

= 0,735•120 = 88,2 кг/т чугуна

б) На сжигание 1 м³ природного газа до оксида углерода требуется кислорода дутья

= 0,5•0,9 + 0,04 + 1,5•0,01 + 2,0•0,0 + 2,5•0,006 = 0,52 м³.

где 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 и др. - стехиометрические коэффициенты реакций окисления компонентов природного газа до СО и Н₂ по реакциям:

На сжигание всего объема природного газа требуется кислорода дутья

= 120•0,52= 62,4 м³.

в) Для обеспечения такого количества кислорода требуется влажного дутья

или в пересчете на 1 м³ природного газа

г) Во влажном дутье содержание водяного пара

или



д) Количество сухого дутья, необходимого для сжигания природного газа

В сухом дутье содержится

Азота

Или

Кислорода

Или



Масса сухого дутья для сжигания природного газа

е) Масса влажного дутья для сжигания природного газа

ж) Количество и состав продуктов горения природного газа

Образуется оксида углерода при горении 120 м³ природного газа

Количество азота в продуктах горения природного газа

Так как в составе природного газа в данном примере азот отсутствует, то

Количество водорода в газе образующегося при разложении 120 м³ природного газа и влаги дутья, расходуемого на сжигание 120 м³ природного газа

Итого образуется продуктов горения

В пересчете на 1 м³ природного газа

Часть водорода расходуется на восстановительные процессы

з) Определяется энтальпия горячего дутья и продуктов сгорания природного газа



=395,23 кДж/м³

5. Тепловой эквивалент золы кокса.

6. Тепловой эквивалент кокса.

7. Тепловой эквивалент мазута

, кДж/кг мазута

где С_М - содержание углерода в мазуте, доли ед.;

S_М - содержание серы в мазуте, доли ед.;

?_S - коэффициент перехода серы в шлак;

q_разл - теплота разложения углеводородов (1880-2300кДж/кг мазута).

В данном примере мазут не применяется.

8. Тепловой эквивалент пылеугольного топлива.

, кДж/кг ПУТ

где С_пут - содержание углерода в ПУТ, доли ед.;

- содержание золы в ПУТ, доли ед.

В данном примере ПУТ не применяется.

Общее уравнение для определения расхода кокса

Отсюда

1.4 Определение удельного расхода компонентов шихты и состава шлака, проверка состава чугуна и основности шлака

1.4.1 Расход компонентов шихты

Общий расход известняка

?М_изв = М_изв + z_к

?М_изв = 80,41 + 109,567 = 189,977 кг

Далее необходимо скорректировать расходы ранее определенных компонентов шихты, так как с учетом кокса выход чугуна из шихты изменится.

М_ч = М_р.с.•Ч_р.с. + М_м.р.•Ч_м.р. + ?М_изв•Ч_изв + М_к•Ч_к

М_ч = 1622,324•0,6113 + 40•0,2186 + 189,977•0 +

+ 589,072•0,0128 = 1008,01 кг

Расход рудной смеси составит

В том числе агломерата М_агл = 1609,448•0,85 = 1368,031 кг/т,

окатышей М_окат = 1368,031 кг/т.

Расход рудной смеси с учётом выноса в колошник 2%, он определяется качеством шихтовых материалов, технологией доменной плавки и изменяется от 1 до 10% (приложение) составляет

.

Расход влажного (3,1% Н₂О) кокса с учётом выноса составит



.

Количество влаги шихтовых материалов и пыли, выносимых из доменной печи, равно

М_выноса = 59,29 кг.

1.4.2 Расчет состава шлака, проверка состава чугуна и основности шлака

Таблица 9 - Состав чугуна и шлака

Количество элементов переходящих в чугун и шлак определяется с учетом коэффициентов распределения.

Количество кремнезема в шлаке с учетом кремния перешедшего в чугун рассчитывается следующим образом



Количество углерода в чугуне

М_С = 100 - М_Fe - М_Si - М_Mn - М_S - M_P

В шлак переходит кремнезема

= 205,25 - 12,86 = 192,39 кг

Количество FeO в шлаке определяется по формуле

Количество MnO в шлаке

1.4.3 Определение температуры плавления шлака и его вязкости

Для оценки условий шлакового режима для шлака полученного состава необходимо определить температуру его кристаллизации, а также вязкость при данном температурном режиме плавки. Для этого используют тройные диаграммы температур плавления системы СаО - Al₂O₃ - SiO₂ и вязкости.

Пересчет состава шлака на три компонента

СаО + Al₂O₃ + SiO₂ = 47,60 + 7,78 + 38,37 = 93,75%

Состав тройной системы

(СаО) = 50,77%; (SiO₂) = 40,93%; (Al₂O₃) = 8,30%

Температура плавления шлака

Полученный шлак близок по составу к тройной эвтектике, имеющей 49% СаО, 40% SiO₂, 11% Al₂O₃ и температуру плавления 1310 °С, т.е. по температуре плавления полученный шлак удовлетворяет условиям плавки.

Вязкость и устойчивость шлака

По диаграмме вязкости шлак полученного состава имеет вязкость 0,3 Пуаз (Н•с/м²), т.е. находится в пределах нормы (верхним пределом доменных шлаков на выпуске следует считать 0,5 Пуаз).

Плавкость шлака

Согласно диаграмме Гау-Бабю плавкость шлака составит 1515 кДж/кг, что также удовлетворяет исходным данным.

2. Расчёт состава и количества колошникового газа и дутья

Образующийся у фурм горновой газ проходит путь от горна до колошника, непрерывно меняя свой состав. На выходе из печи колошниковый газ содержит СО₂, СО, N₂, Н₂ и СН₄.

2.1 Баланс углерода

а) вносится коксом

М_{С к} = М_к•[C]_к

М_{С к} = 539,002•0,8679 = 467,780 кг

б) растворяется в чугуне

М_{С чугуна} = М_чугуна•[C]_чугуна

М_{С чугуна} = 1000•0,042 = 42,0 кг

в) расходуется на образование метана по реакции

3С + 2Н₂О = СН₄ + 2СО

= 467,780•0,008 = 3,74 кг

г) окисляется шихтой и дутьём

М_{С окисл.} = 467,780 - 42,0 - 3,74 = 422,04 кг

д) расходуется углерода на прямое восстановление кремния, марганца, фосфора и железа:

- на восстановление кремния по реакции SiO₂ + 2С = 2СО + Si

- на восстановление марганца по реакции МnО + С = Мn+СО

- на восстановление фосфора по реакции Р₂О₅ + 5С = 2Р + 5СО

- на прямое восстановление железа по реакции FeO+C=Fe+CO

- всего расходуется углерода на прямое восстановление



= 5,14 + 3,098 + 0,9 + 64,253 = 73,391 кг

е) сгорает у фурм (окисляется дутьем)

М_{С фурм} = М_{С окисл.} -

М_{С фурм} = 422,04 - 73,391 = 348,649 кг

2.2 Расчет количества дутья

а) на сжигание углерода у фурм (2С + О₂ = 2СО) требуется кислорода

б) количество кислорода, необходимое для сжигания природного газа было определено ранее в пункте 1.3.3.

= 120•0,5405 = 64,86 м³

в) содержание кислорода во влажном дутье

?_вл.д = ?•(1 - f) + 0,5•f

?_вл.д = 0,25•(1 - 0,012) + 0,5• 0,012 = 0,253 или 25,3%.

где 0,5 - количество кислорода в %, получающееся при разложении 1% влаги дутья по реакции

H₂О = Н₂+0,5O₂.

г) количество дутья

2.3 Количество и состав колошникового газа

1. Количество метана в колошниковом газе образующегося по реакции.

С + 2Н₂ = СН₄

Количеством метана, вносимым летучими кокса, пренебрегаем из-за незначительности величины.

2. Количество водорода в колошниковом газе.

а) количество водорода в газе образующегося при разложении природного газа и влаги дутья, расходуемого на сжигание природного газа (смотреть пункт 1.3.3).

б) образуется водорода из влаги дутья, расходуемого на сжигание углерода кокса



в) всего образуется водорода

г) часть водорода (40%) участвует в реакциях косвенного восстановления

д) количество водорода, переходящее в газ,

= 266,426 - 106,57 = 159,856 м³

е) водород кокса:

- водород летучих веществ кокса

- водород, содержащийся в метане летучих кокса не учитывается.

ж) водород, образующийся при разложении гидратной воды, не учитывается в расчетах из-за пренебрежительно малого его количества.

з) расходуется водорода на образование метана по реакции

С + 2Н₂ = СН₄

и) количество водорода в колошниковом газе

3. Количество двуокиси углерода в колошниковом газе

а) количество Fe₂О₃ в шихтовых материалах (учитывается только Fе₂О₃ рудной смеси, поскольку железо в золе кокса находится в виде FeO, а Fе₂О₃ образуется при сжигании кокса для определения содержания в нём золы) составляет

= 1708,473•0,65622 = 1121,134 кг

б) часть Fе₂О₃ восстанавливается водородом по реакции

Fe₂O₃ + Н₂ = 2FeO + Н₂О

Условно считаем, что весь водород, участвующий в реакциях косвенного восстановления, восстанавливает Fе₂О₃ до FеО. Количество Fе₂О₃ восстанавливающееся водородом составит



в) образуется воды

г) количество Fе₂О₃, восстанавливающееся оксидом углерода

= 1121,134 - 761,21 = 359,924 кг

д) образуется диоксида углерода при восстановлении по реакции

Fе₂О₃ + СО = 2FеО + СО₂

е) количество оксида углерода, образующееся при восстановлении железа из FeO по реакции (FeO+CO=Fe+CO₂)



ж) образуется диоксида углерода от непрямого восстановления

= 50,389 + 254,87 = 305,26 м³

4. Количество оксида углерода в колошниковом газе:

а) образуется оксида углерода от окисления углерода кокса шихтой и дутьём

б) образуется оксида углерода при горении 1 м³ природного газа

в) из 120 м³ природного газа образуется оксида углерода

г) остаётся в газе оксида углерода после расхода части её на непрямое восстановление



5. Количество азота в колошниковом газе

а) содержание азота во влажном дутье

б) дутье вносит азота

в) коксом вносится азота

г) всего азота в колошниковом газе

Данные о количестве и составе колошникового газа приведены в таблице 10

Таблица 10 - Состав колошникового газа

3. Расчет материального и теплового балансов доменной плавки

3.1 Материальный баланс доменной плавки

а) Масса дутья

1 м³ дутья весит

дутье весит

= 1,29•1542,55 = 1989,89 кг

Масса природного газа

= 91,68 кг

Масса колошникового газа:

1 м³ колошникового газа весит

колошниковый газ весит

= 1,27•2218,03 = 2816,9 кг

Данные материального баланса приведены в таблице 11.

Таблица 11 - Материальный баланс доменного процесса

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

3.2 Тепловой баланс доменной плавки

3.2.1 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

3.2.2 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

= 1000•1212,96 = 1212960 кДж.

9. Тепло, уносимое шлаком.

= М_ш•Q_ш

= 501,45•1808,1 = 906671,74 кДж.

10. 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%.

Тепловые потери данного расчета находятся в пределах нормы.

3.2.3 Показатели тепловой работы доменной печи

1. Коэффициент полезного действия тепла.

.

.

.

.

2. 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).

= (305,26 - 70,750•0,4234•22,4/44) • 17955 = 5207127,9 кДж



= 612,27•5266,8 = 3224703,6 кДж

Размещено на Allbest.ru