Расчет доменной шихты и профиля доменной печи упрощённым методом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Магнитогорский Государственный Технический Университет

им. Г.И. Носова

Кафедра металлургии черных металлов

Расчеты доменной шихты и профиля доменной печи упрощённым методом

Методические указания для студентов дневных и заочного факультетов, изучающих курс "Производство чугуна"

Составители:

А.И. Ваганов

В.Г. Дружков

И.Е. Прохоров

И.В. Макарова

Э.М. Кадырова

Магнитогорск

2009

Расчет доменной шихты и профиля доменной печи упрощенным методом. Методические указания для студентов дневных и заочного факультетов, изучающих курс "Производство чугуна". Магнитогорск: МГТУ, 2009. 32 с.

Указания приводятся на основе примерных расчетов, включающих необходимый минимум теоретических сведений, рекомендации по выбору требуемых характеристик, а также справочные материалы.

Содержание

Введение

1. Пример расчета

1.1 Исходные данные

1.2 Средневзвешенный состав рудной смеси

1.3 Оценка материалов

1.4 Выбор состава чугуна и основности шлака

1.5 Определение расхода материалов

1.6 Определение состава чугуна и шлака

2. Оценка физических и физико-химических свойств шлака

3. Профиль доменной печи

3.1 Общие сведения

4. Пример расчёта профиля

4.1 Горн

4.2 Заплечики и распар

4.3 Шахта и колошник

4.4 Полезный объём печи

5. Показатели работы печи

Библиографический список

Приложения

Введение

Доменная шихта - сырьевые материалы и кокс в массовом или объемном соотношении, обеспечивающем получение нужного состава чугуна и сопутствующего ему шлака.

Рассчитывается шихта путем составления и решения уравнений материального баланса элементов и соединений, содержащихся в материалах и в продуктах процесса. Число составляемых уравнений должно быть равно числу материалов, расход которых требуется определить.

Обычно уравнения составляются по заданным условиям - расходу отдельных материалов или соотношению между ними, выходу чугуна из материалов и содержанию в чугуне (шлаке) тех или иных элементов (соединений).

Чаще всего расчёт выполняется на 1 т (1000кг) чугуна.

Уравнения составляются различными способами, чаще всего в виде:

M _* a_м = П _* а_п , (1)

М _* в = 0 , (2)

где М и П - расход материала и выход продукта процесса;

а_м и а_п - содержание компонента в исходном материале и продукте процесса;

в - избыток (недостаток) компонента по сравнению с желательным.

Уравнение (1) составлено из условия, что общее количество компонента «а» в исходной шихте равно его количеству в продуктах процесса, уравнение (2) - из условия, что в шихте не должно быть ни избытка, ни недостатка компонента «а».

Химический состав шихтовых материалов доменной плавки обычно не может обеспечить все желательные для процесса условия.

Поэтому в расчетах шихт удовлетворяют прежде всего наиболее важные требования.

Последние устанавливаются составлением поверочной таблицы расчета шихты, которая делается также для проверки выполнения принятых для расчета шихты условий и определения содержаний отдельных составляющих в продуктах плавки.

Основным в расчетах является учет технологических особенностей процесса, поэтому, выполняя их, необходимо обращаться к соответствующим разделам курса "Металлургия чугуна".

Конечной учебной целью расчетов является овладение методикой выполнения их и закрепление теоретических знаний.

Наиболее полный метод расчета шихты - комплексный метод А.Н. Рамма [2].

По этому методу составляются основные (3 и 4) и дополнительные уравнения материального баланса, а также уравнения теплового баланса (5):

по выходу чугуна

М_*?_м = 1 , (3)

по основности шлака

М_*ШФ = 0, (4)

по тепловым эквивалентам

М_*q_м = 0 . (5)

Здесь ?_м, ШФ и q_м - выход чугуна из материалов, недостаток оснований в них и тепловой эквивалент материалов.

Под тепловым эквивалентом понимается затрата тепла на проведение процессов с 1 т или 1 кг материалов.

В уравнения вводятся расход горючего, для которого тепловой эквивалент отрицателен, так как процессы, в которых участвует горючее, в целом проходят с выделением тепла.

Дополнительные уравнения могут и должны составляться по фосфору, марганцу, глинозему, магнезии, количеству шлака, если имеются материалы с различным количеством этих составляющих.

По методу А.Н. Рамма одновременно с расчетом шихты составляются материальный и тепловой балансы доменной плавки.

Наиболее пригоден этот метод при проектировании, особенно для условий, значительно отличающихся от обычной доменной практики.

Ранее были разработаны упрощенные методы расчета шихты, широко распространенные и в настоящее время.

В расчетах шихты по этим методам расход горючего принимается и делается ряд допущений, которые, не внося существенных погрешностей в результаты расчета, значительно облегчают составление и решение уравнений материального баланса.

Настоящие методические указания приводятся на примере упрощенного расчета шихты с использованием характеристик А.Н. Рамма. В указаниях содержится также необходимый минимум справочных данных.

1. Пример расчёта

доменная печь шихта чугун горн

1.1 Исходные данные

Таблица 1 - Химический состав материалов

Материал	Состав сухой массы, %
	Fe	MnO	SO3	P2O5	SiO2	Al2О3	CaO	MgО
Железная руда	47,50	0,85	0,10	0,20	12,30	4,30	7,40	5,10
Агломерат	53,50	0,32	0,09	0,07	14,80	2,50	6,24	0,92
Окатыши	62,10	0,05	0,07	0,08	4,20	1,10	4,80	0,80
Металло-добавки	84,00	0,15	-	-	1,72	-	-	-
Известняк	0,40	-	-	0,08	1,70	0,20	54,30	0,40
Зола кокса	8,70	-	-	0,35	49,10	27,00	6,90	1,70

Расход влажного кокса, содержащего влаги W^р - 2,7%; золы А^с - 11,5%; серы S^с-0,51%, -- 480 кг/т чугуна.

Расход металлодобавок 25 кг/т чугуна.

В железорудной смеси содержится: 25% железной руды, 35% - агломерата, 40% - окатышей.

1.2 Средневзвешенный состав рудной смеси

Средневзвешенное содержание в рудной смеси элементов и оксидов Э определяется по содержанию их в компонентах смеси (руда, агломерат и др.) и заданной доле (процентном содержанию) а_э компонентов в смеси:

Э = Э*а_э.

(Пересчёт элементов из их оксидов - по известным атомным и молекулярным массам).

В рудной смеси содержится:

Fe = 47,50*0,25 + 53,50*0,35 + 62,10*0,40 = 55,44 %;

MnO = 0,85*0,25 + 0,32*0,35 + 0,05*0,40 = 0,34 %;

Mn = 0,34*55/71 = 0,27%;

SO₃ = 0,10*0,25 + 0,09*0,35 + 0,07*0,40 = 0,08%;

S = 0,08*32/80 = 0,032%;

P₂O₅ = 0,20*0,25 + 0,07*0,35 + 0,08*0,40 = 0,106%;

P = 0,106*62/142 = 0,046%;

SiO₂ = 12,30*0,25 + 14,80*0,35 + 4,20*0,40 = 9,93%;

A?₂O₃ = 4,30*0,25 + 2,50*0,35 + 1,10*0,40 = 2,39%;

CaO = 7,40*0,25 + 6,24*0,35 + 4,80*0,40 = 5,95%;

MgO = 5,10*0,25 + 0,92*0,35 + 0,80*0,40 = 1,92%,

Принимаем ориентировочно содержание железа в чугуне 94%, что составляет 940 кг/т чугуна. Тогда рудная часть должна внести железа 940 - (25*84,0 + 53,71*8,7) /100 = 914,33 кг.

Здесь 84,0 и 8,7 - содержание железа соответственно в металлодобавках и золе кокса, %:

25 - расход металлодобавок, кг/т;

53,71=К*(1-0,01W)*A^с/100 = 480(1-0,01*2,7)*11,5/100 - количество золы, вносимой коксом, кг/т.

Ориентировочный расход рудной смеси 914,33*100/55,44=1649,2 кг.

1.3 Оценка материалов

Материалы (отдельные компоненты или железорудная смесь) оцениваются по содержанию в них марганца, фосфора и шлакообразующих - кремнезема и извести.

Необходимость оценки по Mn и P определяется тем, что переход этих элементов в чугун зависит от их общего количества, вносимого шихтой, что определяет возможную марку выплавляемого чугуна.

Оценка по содержанию SiO₂ и CaO или их отношению CaO/SiO₂, т.е. основности пустой породы, выполняется с целью установления потребности во флюсах.

Количество марганца и фосфора, вносимых железорудной смесью, металлодобавками и золой кокса, определяется по известным расходам этих материалов и содержанию элементов в них.

Вносится марганца ((1649,2*0,34+25*0,15)*55/71)/100=4,43 кг, фосфора ((1649,2*0,106 + 53,71*0,35)*62/142) /100 = 0,845 кг.

Коэффициенты перехода марганца и фосфора в чугун принимаются равными 0,6 и 1,0 соответственно, тогда ориентировочно в чугуне будет содержаться:

марганца 4,43*0,6*100/1000=0,262%;

фосфора 0,845*1,0*100/1000=0,084%,

По содержанию марганца (0,262%) из железорудной смеси (при заданном соотношении материалов и без добавок марганецсодержащих материалов) можно выплавлять (см. приложения А и Б) следующие сорта чугунов:

передельные, марок П1 и П2;

передельно - литейные марок ПЛ1 и ПЛ2;

передельные фосфористые ПФ1-ПФ3, а

литейные Л1-Л6 (все марки первой группы).

По содержанию фосфора (0,084%) можно выплавлять:

передельные сорта марок П1-П2 (класса А),

передельно - литейные ПЛ1-ПЛ2 (класса Б)

литейные всех марок (класса Б).

Основность, т.е. отношение CaO/SiO₂ в железорудной смеси, равна b=5,95/9,93=0,6.

Успешное ведение доменной плавки по получению кондиционного по сере чугуна возможно при b=0,9….1,35.

Следовательно, плавка должна вестись при использовании флюса - известняка, вносящего дополнительное количество извести.

1.4 Выбор состава чугуна и основности шлака

В соответствии с проведенной оценкой материалов принимаем выплавку передельного чугуна марки П1 (группы 1, класса А, категории II) (см. приложение А).

Таблица 2 - Состав чугуна

	Содержание,%
	Si	Mn	P	S	C	Fe
По ГОСТ 805-80	0,5-0,9	<0,5	<0,1	<0,02	-	-
Принято для расчета	0,6	0,262	0,084	0,02	4,6	94,43

Примечание. Содержание в чугуне (табл.2) [Mn] и [P] принято согласно оценке материалов, выполненной в п. 2.3.

Содержание [Si], равное 0,6%, принято из условия обеспечения нормального нагрева чугуна; зависит оно, главным образом, от температурно-теплового режима ведения доменного процесса.

Содержание [S], равное 0,02% - принято относительно низким для снижения затрат на передел чугуна в сталь.

Содержание углерода принимается в соответствии с видом чугуна:

4,3-4,9% при выплавке обычных передельных;

3,3 - 3,8% - передельных фосфористых чугунов; оно также может быть определено по эмпирической формуле:

[C]=4,6 - 0,27[Si] - 0,32[P] + 0,063[Mn].

Содержание железа определяется по разности 100 - (0,6 + 0,262 + 0,084 + 0,02 + 4,60) = 94,43%.

Основность шлака в различных условиях плавки меняется в широких пределах, главным образом, в зависимости от количества серы, вносимой коксом, и от желательной обессеривающей способности шлака.

Основность шлака, выраженная отношением CaO/SiO₂, находится обычно в пределах 1,2…1,35 при выплавке чугуна на коксе, содержащем 1,5…2,3% S, и в пределах 0,9…1,2 - при работе на менее сернистом коксе, т.е. содержащем 0,45…0,7 % серы.

В настоящем примере при S=0,51% (см. исходные данные - состав кокса) принята основность шлака b_зад = CaO/SiO₂=1,1.

1.5 Определение расхода материалов

Для расчета используются характеристики, предлагаемые проф. А.Н. Раммом.

Общий вид уравнений материального баланса для определения расхода материалов:

по выходу чугуна

Pc*?_pс+M*?_м+И*?_и+A*?_а=1000.

по основности шлака

Рс*RO_рс+М*RО_м+И*RО_и+А*RO_а=0.

Здесь Рс, М, И, А - соответственно расход рудной смеси, металлодобавок, известняка и золы кокса, кг/т чугуна;

?- выход чугуна на 1 кг соответствующем материала, кг/кг;

RO- избыток или извести в соответствующем материале при заданной основности шлака, %.

По составу материалов и принятым для расчета данным вычисляем характеристики (? и RO) для соответствующих материалов путем последовательного заполнения строк таблицы 3.

По рассчитанным характеристикам и известным расходам материалов (металлодобавки и зола кокса) составляются уравнения материального баланса:

0,587_*Рс +0,888_*25+0,004_*И +0,092_*53,71 =1000;

-4,14_*Рс - 0,64_*25 + 52,44_*И - 46,98_*53,71 =0.

Решение системы уравнений дает Рс=1657,57 кг, И=179,0 кг.

Тогда в рудной смеси содержится:

железной руды 1657,57*0,25=414,3,

агломерата 1657,57*0,35=580,1,

окатышей 1657,57*0,40=662,9 кг.

Примечание. Вычислив расход рудной смеси Рс, следует сопоставить полученное значение его с рассчитанным ранее (п. 2.2) ориентировочным расходом - разница должна быть в пределах 10 кг.

1.6 Определение состава чугуна и шлака

Для расчета состава чугуна и шлака и проверки выполнения принятых условий составляется поверочная таблица расчета шихты (табл.4).

В таблице коксу обычно отводятся две строки: собственно коксу и его золе (при этом составляющие кокса учитываются только один раз: сера - в коксе, минеральные составляющие - в золе кокса).

По расходу и составу материалов определяется количество составляющих, вносимых отдельными материалами, а суммированием по графам вычисляется общее количество составляющих (строка «Всего вносится»).

Общие количества отдельных элементов и составляющих, поступающих с шихтой, распределяются между чугуном и шлаком.

Железо. Вносится 945,29кг, переходит в чугун

945,29*0,999=944,34 кг; в шлак 945,29-944,34=0,945 кг в виде 0,945*72/56=1,21 кг FeO.

Марганец. Вносится 4,45кг, При коэффициенте перехода в чугун, равном 0,6 , перейдет в чугун 4,45*0,6=2,67 кг ,

в шлак 4,45- 2,67=1,78 кг в виде 1,78*71/55=2,30 кг MnO.

Фосфор. Полностью (0,9кг) переходит в чугун.

Сера. Вносится 2,91кг. Переход в чугун принимается по принятому составу чугуна (см. табл.2): 0,02*1000/100=0,2 кг.

При выплавке передельных чугунов переходит в газ до 10% вносимой серы.

Переходит в шлак 2,91-(0,2+2,91*10/100)=2,42 кг.

Углерод. Переход в чугун принимается согласно принятому (4,6% - см. табл.2) - 46кг,

Кремний. Переходит в чугун 6,0кг ( принято 0,6% - см. табл.2 ).

Кремнезем. Вносится 194,44кг SiO₂. На восстановление 6,0кг кремния расходуется 6,0*60/28=12,86 кг, переходит в шлак 194,44-12,86=181,88 кг.

Глинозем, Полностью, соответственно 199,54; 54,41 и 33,45кг известь, переходят в шлак.

магнезия.

Количество составляющих чугуна

944,34+2,67+0,2+0,90+46,0+6,0=1000,11кг.

Таблица3 - Характеристики материалов

Характеристики	Обозначения и расчетная формула *)	Материал
		Железорудная смесьРс	Металлодобавки М	Известняк И	Зола кокса А
Выход чугуна, кг/кг	?i = Fe* зFe /[Fe]	55,4*0,999/94,43=0,587	0,888	0,004	0,092
Расходуется SiO2 на восстановление Si, %	SiO2`=?i *[Si] *60/28	0,6*0587*2,14=0,754	1,14	0,005	0,118
Содержится SiO2 в материале, %	SiO2	9,93	1,72	1,70	49,10
Переходит SiO2 в шлак,%	SiO2``= SiO2- SiO2`	9,93-0,754=9,176	0,58	1,695	48,98
Требуется CaO, %	CaOтр= SiO2``•bзад	9,176*1,1=10,09	0,64	1,86	53,88
Содержится CaO в материале, %	CaO	5,95	-	54,30	6,90
Избыток (недостаток) CaO в материале, %	CaO=CaO-CaOтр	5,95-10,09=-4,14	-0,64	52,44	-46,98

*) Fe - содержание элемента в соответствующем материале, %;

[Fe] , [Si] - содержание Fe и Si в чугуне, % (см.табл.2);

з_{Fe =} 0,999 - коэффициент перехода железа в чугун.

Таблица 4 Поверочная таблица расчета шихты

Материал	Расход мат., кг	Составляющие, числитель - % , знаменатель - кг.
		Fe	Mn	S	P	C	SiO2	Al2O3	CaO	MgO
Кокс сухой К*(1-0,01*Wр)	467,04			0,51 2,38
Железорудная смесь	1657,57	55,44 918,90	0,27 4,42	0,032 0,53	0,046 0,76		9,93 164,6	2,39 39,61	5,95 98,62	1,92 31,82
Металло-добавки	25	84,0 21,0	0,12 0,03				1,72 0,43
Известняк	179,0	0,4 0,72			0,035 0,06		1,70 3,04	0,2 0,36	54,3 97,20	0,4 0,72
Зола кокса	53,71	8,7 4,67			0,151 0,08		49,1 26,37	27,0 14,50	6,9 3,70	1,7 0,91
Всего вносится	945,29	4,45	2,91	0,90		194,44	54,41	199,54	33,45
Переходит в газ, % / кг				10 0,29
Переходит в чугун, кг	1000,11	944,34	2,67	0,2	0,90	46,0	6,0 *)	11,49
Переходит в шлак, кг	474,0	0,94*) 1,21	1,78*) 2,30	2,42 *)			181,88	54,41	199,54	33,45
Состав чугуна,%		94,43	0,27	0,02	0,09	4,60	0,60
Состав шлака, %			0,26 **)	0,52			38,34		42,12	7,05

*) Элементы, соответственно Fe, Mn, Si, S.

**) Оксиды, соответственно FeO и MnO.

Количество составляющих (выход) шлака*)

Ш = (FeO)+(MnO)+0,5*(S)+(SiO2)+(A?2O3)+(CaO)+(MgO) =

= 1,21+2,30+0,5*2,42+181,88+54,41+199,54+33,45 = 474,0 кг/т.

2. Оценка физических и физико-химических свойств шлака

Основность шлака:

принятая

b_зад=CaO/SiO₂ =1,1,

расчётная b_расч=199,54/181,58 =1,10.

По А.Н. Рамму сумма всех основных оксидов, т.е. оснований, для получения чугуна с 0,02% серы при 0,6% Si , должно быть не менее:

Здесь Ш = - относительный выход шлака, т/т.

Фактическое содержание оснований

RO_факт = (CaO)+(MgO)+(MnO)+(FeO) =42,12+7,05+0,484+0,256=49,91%,

что выше требуемого (47,03%).

Следовательно, шлак обладает достаточной обессеривающей способностью.

Коэффициент распределения серы

L_s=(S)/[S]=0,52/0,02=28,0,

т.е. находится в пределах практических значений (20….80).

Для определения физических характеристик шлака - температуры плавления (температуры «хорошей» текучести) t_s и вязкости шлака з - его состав пересчитывается на 3 компонента, при этом сумма (CaO+MgO) принимается условно за (CaO) (табл.5), а содержание каждого компонента шлака умножается на коэффициент пересчёта, равный в данном случае 100,00/99,00 =1,010.

За температуру плавления шлака обычно принимают температуру конца кристаллизации (начала плавления, т.е. солидус) или температуру при которой шлак может свободно течь.

Иногда за температуру плавления принимают температуру «хорошей» текучести, соответствующую вязкости 0,3…0,4 Н_*с/м² (3...4 пуаз).

Таблица 5 - Пересчет состава шлака

Составляющие	Содержание, %
	фактическое	в пересчете на 3 компонента
SiO2	38,34	38,72
Al2O3	11,49	11,61
CaO	42,12	49,67
MgO	7,05
Сумма	99,00	100,00

По диаграммам (см. приложения В и Г) определяем температуру «хорошей» текучести и вязкость шлака при 1500 єС: t_s = 1436 єС и з = 2 пуаза (0,2 Н_*с/м²).

Следовательно, свойства шлака находятся в допустимых пределах: t_s не превышает 1500 єС, а з - не более 7 пуаз (0,7 Н_*с/м²).

3. Профиль доменной печи

3.1 Общие сведения

Профилем называют очертание вертикального осевого сечения рабочего пространства доменной печи, образованного огнеупорной кладкой.

В объеме, ограниченном профилем, совершаются все основные процессы доменной плавки: горение кокса и топливных добавок у фурм, восстановление железа из оксидов, тепло- и массообмен между движущимися в противотоке материалами и газами, плавление и завершающие стадии формирования чугуна и шлака.

Поэтому размеры элементов профиля должны устанавливаться в соответствии с потребностями и состоянием хода доменного процесса.

В нашей стране приняты следующие наименования и обозначения элементов профиля (рисунок 1):

Н - полная высота печи - расстояние между уровнями оси чугунной летки и верха опорного кольца на колошнике, несущем загрузочное устройство, м;

Н_п ,V_п - полезная высота (м) и полезный объем (м³) печи от уровня оси чугунной летки до уровня нижней кромки большого конуса в опущенном положении его или до лотка при бесконусном загрузочном устройстве;

d_г - диаметр горна, м;

D - диаметр распара, м;

d_к - диаметр колошника, м;

d_о - диаметр большого конуса, м;

h_г - полная высота горна - расстояние от оси чугунной летки до нижней кромки заплечиков, м;

h_мс - высота "мертвого" слоя (зумпфа), м;

h_з- высота заплечиков, м;

h_p - высота распара, м;

h_ш - высота шахты, м;

h_к - высота колошника - расстояние от верхней кромки шахты до уровня нижней кромки большого конуса в опущенном его положении или лотка при бесконусном загрузочном устройстве, м;

h_о - высота засыпного аппарата, м;

1 - ось воздушных фурм;

2 - ось шлаковых леток;

3 - ось чугунных леток;

а - конструктивный размер - расстояние между горизонтом воздушных фурм и нижней кромкой заплечиков, м;

h_фз - расстояние между горизонтами воздушных фурм и шлаковых лёток, м;

h_м - высота металлоприемника, м;

б_ш - угол наклона образующей шахты к горизонту, град;

б_з - угол наклона образующей заплечиков к горизонту, град,

В зарубежной литературе используется термин "рабочий" объем доменной печи - пространство от горизонта воздушных фурм до уровня засыпи.

Рисунок 1 - Профиль доменной печи

Первый метод расчета профиля, нашедший широкое распространение в СССР и мировой практике, был разработан акад. М.А. Павловым в 1910г. Сопоставляя профили доменных печей с условиями и результатами их работы, он предложил ряд формул и соотношений, связывающих размеры доменных печей.

Сложность доменного процесса, недостаточность математических описаний хода его затрудняют определение рациональных размеров профиля и делают необходимым использование эмпирических, обоснованных в различной степени, зависимостей для учета технологической роли отдельных элементов рабочего пространства печи.

Развитие теории и практики металлургии чугуна создает условия для уточнения этих зависимостей, а некоторым из них можно дать новое обоснование.

Поэтому уточнение методики расчета профиля следует рассматривать как развитие методики М.А. Павлова - определение размеров печи и отдельных элементов по эмпирическим зависимостям и параметрам, отражающим их технологическую роль.

Принципиальная особенность метода М.А. Павлова состоит в том, что основные размеры профиля должны выбираться или определяться с учетом условий работы доменных печей и характера процессов, протекающих в отдельных зонах печи.

Часть формул и соотношений, связывающих размеры элементов профиля, использовались М.А. Павловым для определения размеров, а остальные - для оценки правильности полученных значений.

Поэтому метод М.А. Павлова представляет определенную свободу при выборе того или иного размера печи, при первоочередном учете тех или иных внешних условий доменной плавки, тех или иных требований со стороны процессов, происходящих в печи.

Большое число рекомендаций, их избыточность по сравнению с числом размеров, определяющих профиль, оказалось полезным, так как позволило со временем уточнять, отбрасывать те из них, которые не выдержали испытания временем и не подтвердились опытом работы доменных печей большого объема.

Это обстоятельство способствовало также тому, что методика М.А. Павлова существует и используется в течение длительного периода времени.

Известны и другие методики расчёта профиля.

Например, проф.А.Н. Рамм, анализируя развитие советских и американских доменных печей различного объёма, установил, что зависимость основных размеров печей от их полезного объёма V_п подчиняется формулам вида x = a V_п^m (см. таблицу 6) , а высоты отдельных частей профиля могут быть выражены в долях от полной высоты печи.

С помощью этих формул для печи любого объёма устанавливается некоторый «нормальный» профиль, при котором достигаются хорошие показатели работы в различных условиях.

Таблица 6 -Формулы для определения размеров профиля по А.Н. Рамму

Размер элемента профиля, м	Расчётный профиль
	«нормальный»	Геометрически подобный
Диаметр: распара горна колошника Высота печи полная полезная Высота горна заплечиков распара шахты колошника	D=0.59 Vn0.38 dг=0,32Vn0,45 dк=0.59 Vn0.33 H=5.56 Vn0.24 H=0.88 H h г =0.10 H hз =3.2 hр =0.07 H hш =0.63 H-3.2 hк =0.08 H	3 ____ D=0.83 v Vn dг=0.9 D dк=0.7 D H=3.35 D H=2.95 D h г =0.35 D hз =0.35 D hр =0.20 D hш =1.80 D hк =0.25 D

4. Пример расчёта профиля

В качестве примера рассмотрим расчет профиля доменной печи производительностью 7000 т передельного чугуна в сутки, работающей на дутье, обогащенном кислородом до 31,5 %, при вдувании 90 м³/ т чугуна природного газа, давлении газа на колошнике 214 кПа (2,2 ати), при относительном расходе кокса 480 и относительном выходе шлака 474 кг/т).

4.1 Горн

Горн - важнейший элемент рабочего пространства доменной печи, генератор тепла и фурменного газа, без которых невозможно зарождение и протекание доменного процесса.

Горн предназначен для сжигания горючего, накапливания, разделения и выравнивания температуры чугуна и шлака, окончательного формирования их состава.

Сечение горна доменной печи заданной производительности должно обеспечить пропуск необходимого количества фурменных газов при наличии в этой зоне коксовой насадки, через которую стекают навстречу газам жидкие продукты плавки.

В качестве базовой характеристики для расчёта сечения горна используем интенсивность горения кокса i_o, т/м2*сут - условную характеристику, предложенную М.А. Павловым.

Обогащение дутья кислородом и азотом, повышение температуры дутья и давления газа на колошнике, вдувание в горн топливных добавок ведут к изменению интенсивности горения по коксу.

В связи с этим целесообразно сечение горна рассчитывать с использованием значений общего условного расхода кокса за сутки К_ус и исправленной интенсивности горения i_исп:

 (6)

и тогда

, (7)

где К - заданный расход кокса, кг/т чугуна;

Э - коэффициент замены кокса топливной добавкой, кг кокса/кг добавки (кг кокса /нм³ добавки);

Тд - расход топливной добавки, кг/т (нм³/т) чугуна;

П - производительность печи, т чугуна/сут.

В нашем примере при вдувании 90 м³/т природного газа условный расход кокса за сутки составляет

.

Принимаем интенсивность горения кокса в горне при работе печей с обычным давлением газа под колошником 147 кПа (0,15 атм.) без обогащения дутья кислородом 27,4 т/(м²сут).

Тогда исправленное (скорректированное в соответствии с изменившимися параметрами плавки) значение интенсивности будет равно

ъ_исп = i₀ + ?i,

где ?i - суммарное увеличение интенсивности горения в результате обогащения дутья кислородом, повышения давления газа на колошнике, применения других интенсификаторов процесса.

При условии сохранения постоянства объема фурменных газов обогащение дутья кислородом на каждый процент увеличения кислорода в дутье позволяет повысить интенсивность горении:

на 2,0…2,5 % при обогащении c 21% до 25 % O₂ ,

на 1,5…2,0 % при обогащении до 25,1…30 % O₂ ,

на 1,0…1,5 % при обогащении до 30,1…35 % O₂ .

Заданное в исходных данных обогащение дутья кислородом до 31,5 % будет способствовать увеличению интенсивности горения на ?i ₁ = 2,2 (25 - 21)+1,7 (30 - 25) + 1,2 (31,5 - 30) = 19,9%.

Здесь 2,2; 1,7; 1,2 - принятые значения прироста.

При переводе доменных печей на повышенное давление имело место увеличение интенсивности горения на 0,4-0,8% на каждые 9,81 кПа (0,1 ата). На проектируемой печи давление газа под колошником 214 кПа (2,2 ати), Это будет способствовать повышению интенсивности горения на ?i ₂ = 0,6 (2,2 - 0,15) 10 = 12,3 %.

Суммарный прирост интенсивности горения достигнет

?i = ?i ₁ + ?i₂ =19,9+12,3 = 32,2 %,

а значение ее составит

Таким образом, полученная расчётная интенсивность горения может быть обеспечена при сечении горна

и диаметре его

Высота горна складывается из следующих элементов ( см. рис. 1):

h_г = h_м + h_фз + а,

где h_{м -} высота металлоприёмника- расстояние между горизонтами чугунных и шлаковых лёток, м;

h_фз - высота фурменной зоны - расстояние между горизонтами воздушных фурм и шлаковых леток, м;

а- расстояние между горизонтом воздушных фурм и нижней кромкой заплечиков, м.

Высоту фурменной зоны h_фз=1,4 м и конструктивный размер a=0,5 м принимаем по практическим данным.

Высота «мертвого слоя» не учитывается при расчете полезного объема.

Высота металлоприемника на современных печах находится обычно в пределах 1,4…2,8 м.

Принимаем h_м = 2,0 м, тогда полная высота горна h_г = 2,0 + 1,4 + 0,5 = 3,9м.

Практика показала, что ровный сход шихты и максимальное использование обессеривающей способности шлака достигаются чаще всего в тех случаях, когда чугун и шлак перед выпуском занимают объем металлоприемника, а весь шлак выпускается через чугунные летки, т.е. когда соблюдается следующее равенство:

, (8)

где - коэффициент заполнения горна жидкими продуктами плавки, изменяющийся в пределах 0,4…0,45 м³/м³;

q_н^ч и q_н^ш - объемные скорости накапливания чугуна и шлака в горне доменной печи, м³ /мин;

n_в - количество выпусков продуктов плавки в сутки;

ф_в - продолжительность выпуска, находящаяся обычно в пределах 30-60 мин, при среднем значении 40 мин.

Интенсивность плавления, выраженная среднесуточными объёмными скоростями накапливания продуктов плавки, в данном примере составляет:

по чугуну q_н^ч = П / 1440 _ч = 7000 / 1440 . 6,9 = 0,705 м³/мин;

по шлаку q_н^ш =П.Ш / 1440 _ш = 7000 . 0,474 / 1440 . 1,93 =1,19 м³/мин.

Здесь _ч и _ш - соответственно плотности жидких чугуна и шлака, т /м³;

П - суточная производительность печи, т;

Ш - относительный выход шлака ( см. п. 2.6 расчёта шихты), т / т чугуна.

Приняв = 0,45 и ф_в= 40, определим необходимое число выпусков n_в из вышеприведенного равенства (8)

n_в =( q_н^ч + q_н^ш ) 1440 / ( S_{г *} h_{г *} ) + ( q_н^ч + q_н^ш ) ф_в) = (0,705+1,19). 1440 / ( 106,96 . 2,0 . 0,45 + (0,705+1,19) . 40) =13,62.

Принимаем 14 выпусков и две чугунные лётки (на одну чугунную лётку должно быть не более 6…8 выпусков в сутки).

4.2 Заплечики и распар

В заплечиках, расположенных над горном и расширяющихся к верху, идут конечные стадии процессов плавления, восстановления.

Заплечики - элемент профиля печи, обеспечивающий желаемый характер схода материалов в горн, главный образом, в фурменные очаги, определенное напряженное состояние в столбе шихты, особенно в нижней его части.

Распар - наиболее широкая часть печи - обеспечивает плавный переход от заплечиков к шахте; в нём протекают процессы шлакообразования и плавления.

Принимаем в примерном расчете величину отношения D / d_г=1,13 (обычно находится в пределах 1,1…1,15), тогда диаметр распара D=1,13d_г=1,13*11,67 = 13,19 м.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для определения очертания заплечиков кроме диаметра распара необходимо выбрать высоту заплечиков или угол наклона стен их (рисунок 2).

В учебных расчетах высоту заплечиков можно определять по формуле

h_з = 0,3D

Тогда h_з = 0,3_*13,19=3,96 м, а угол наклона стен заплечиков:

Полученное значение угла находится в рекомендуемых пределах (78…82^о), следовательно, высота заплечиков и диаметр распара выбраны правильно.

Высоту распара h_р принимаем равной 1,70 м ( в пределах 1.5…2 м).

4.3 Шахта и колошник

Основная технологическая роль шахты - предоставление достаточного объема и обеспечение времени пребывания для подготовки (прогрева и восстановления) железорудной составляющей шихты к зоне плавления. Расширение шахты необходимо для разрыхления периферии вследствие вытеснения туда кокса при опускании и требуется для компенсации теплового расширения материалов при нагревe.

Принимаем величину отношения d_к /D =0,72, тогда диаметр колошника

d_к = 0,72 _* 13,19 = 9,5м.

Высоту шахты определяем по величине необходимого объема шахты. Для этого задаемся величиной отношения V_ш / S_г , равному 15,0. Объем шахты доменной печи составит:

V_ш = 15 * 106,96 = 1604,4м³ ,

а высота её:

Тогда угол наклона стен шахты:

и б_ш = 83°21'30"

Значение проектного (расчётного) угла б_ш менее 83° нежелательно (обычно находится в пределах 83…87^о).

Принимаем высоту колошника h_к равной 2 .

Полезная высота печи

Н_п = h_г + h_з + h_р + h_ш + h_к = 3,9 + 3,96 + 1,7 + 15,74 + 2,0 = 27,30 м.

4.4 Полезный объём печи

По рассчитанным и принятым размерам профиля вычисляем объёмы элементов профиля и полезный объем печи, м³:

горн

заплечики

распар

шахта V_ш=1604,4;

колошник

Полезный объем печи

V_п = V_г + V_з + V_р +V_ш + V_к = 2875,2м³.

5. Показатели работы печи

Достаточность полезного объема проектируемой доменной печи заданной производительности устанавливаем сравнением удельной производительности ее или КИПО (коэффициента использования полезного объёма) и времени пребывания шихты в рабочем пространстве с достигнутыми в практике значениями этих показателей интенсивности работы.

Расчетная удельная производительность проектируемой печи равна

= П/ Vп = 7000 / 2875,2=2,43 т/(м³ _*сутки),

КИПО = Vп / П = 1/ = 2785,2 / 7000 = 0,38 (м³ _* сутки) / т.

Достигнутые значения на интенсивно работающих доменных печах мира превысили 2,8 т/(м³ _* сут), а КИПО соответственно менее 0,4 ( м³_* сут )/ т.

Среднее время пребывания материалов в доменной печи определится по формуле

, (9)

где П - производительность печи, т/сут;

н- объем шихтовых материалов, м³/т чугуна;

f - коэффициент уминки (усадки) шихты в печи, равный 12,5% или 1/8 часть объема загружаемых в печь материалов.

Объем загружаемых на 1 т чугуна составляющих шихты

(10)

где К, Ф, А, … - расходы горючего, флюса, агломерата и других материалов соответственно, кг/т чугуна;

насыпные плотности соответственно горючего, флюса, агломерата, кг/м³.

Ниже приведены пределы насыпных плотностей составляющих шихты доменной плавки, кг / м³:

железная руда - 2100…2300

агломерат - 1600…2000

окатыши - 1650…2100

известняк - 1450…1800

кокс 400 … 520

металлодобавки (стружка)- 1800…2200.

Расходы материалов принимаем из выполненного ранее расчёта шихты (задание и п. 2.5):

железной руды - 413,3; агломерата - 580,1; окатышей - 662,0; известняка - 170,0; кокса - 480; металлодобавок - 25 кг/т чугуна.

В нашем примере объем загружаемых на 1 т чугуна материалов составляет н = 480/450 + 414,3/2150 + 580,1/1700 + 662,9/ 1750 + 25/1900 + 179,0/1700 = 2,10м³ /т чугуна,

а время пребывания материалов в доменной печи

Среднее время пребывания материалов в действующих печах колеблется в пределах 6…8 ч.

Библиографический список

1. Рамм А.Н. Определение технических показателей доменной плавки. Ленинград: ЛПИ, 1971 г.

2. Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвистнев, и др. М.: ИКЦ «Академкнига». 2004. -774 с.

3. Свойства жидких шлаков / В.Г. Воскобойников, Н.Е. Дунаев, А.Г. Михалевич и др. М.Металлургия. 1975. 180 с.

4. Кропотов В.К., Дружков В.Г. Проектирование доменной печи. Учебное пособие. Магнитогорск,1991

Приложение А. Чугуны: передельный, высококачественный, передельно-литейный и передельный фосфористый по ГОСТ 805-80

Марка чугуна	Si, %	Mn,%	Р, % (не более)	S,% (не более)
		Группа	Класс	Категория
		I	II	III	IV	А	Б	В	Г	I	II	III	IV	V
П1	0,5-0,9	< 0,5	0,5-1,0	1,0-1,5	--	0,1	0,2	0,3	--	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05
П2	до 0,5
ПВК1	0,9-1,2	< 0,5	0,5-1,0	1,0-1,5	--	0,02	0,03	0,04	0,05	0,015	0,020	0,025	--	--
ПВК2	0,5-0,9
ПВК3	до 0,5
ПЛ1	0,8-1,2	<0,3	0,3-0,5	0,5-0,9	0,9-1,5	0,08	0,12	0,3	--	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05
ПЛ2	0,5-0,8
ПФ1	0,9-1,2	<0,5	<1,5	<2,0	--	0,3-0,7	0,7-1,2	1,2-2,0	--	0,03	0,05	0,07	--	--
ПФ2	0,5-0,9
ПФ3	до 0,5

Приложение Б. Чугун литейный по ГОСТ 4832-80

Марка чугуна	Si, %	C, %	Mn, %	P, %	S, %(не более)
			Группа	Класс	Категория
			I	II	III	IV	А	Б	В	Г	Д	1	2	3	4
Л1	3,2-3,6	3,4-4,9	до 0,3	0,3-0,5	0,5-0,9	0,9-1,5	до 0,08	до 0,12	до 0,3	0,3- 0,7	0,7-1,2	0,02	0,03	0,04	0,05
Л2	2,8-3,2	3,5-4,0
Л3	2,4-2,8	3,6-4,1
Л4	2,0-2,4	3,7-4,2
Л5	1,6-2,0	3,8-4,3
Л6	1,2-1,6	3,9-4,4

Приложение В. Температура «хорошей» текучести шлаков в системе SiO₂-CaO-Al₂O₃ (В.Г. Воскобойников)

Приложение Г. Вязкость шлаков - Н_*с/м² (пуаз) в системе SiO₂-CaO-Al₂O₃ при 1500 С (Мак-Кефери)

Размещено на Allbest.ru