Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Балансовые расчёты доменного процесса

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Институт «Материаловедения и металлургии»

Кафедра металлургии железа и сплавов

Оценка работы ________________

Члены комиссии ______________

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Балансовые расчёты доменного процесса»

Руководитель

Доцент. к.т.н. __________________ Гилева Л.Ю.

Н.контр.

Доцент, к.т.н. ___________________ Лозовая Е.Ю.

Студент

Гр. Мт-300101 ___________________ Долгушев Н.А.

2012

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..3

Расчёт состава доменной шихты…………………………………………....….4

Оценка свойств доменного шлака……………………………………….…6

Расчёт расхода дутья……………………………………………………….....…8
Расчёт состава и выхода колошникового газа…………………………......….9
Составление материального баланса……………………………………....…11
Расчёт теплового баланса доменной плавки……………………………........12

Заключение………………………………………………………………………..16

Библиографический список………………………………………………...……17

Приложение 1……………………………………………………………………..18

Приложение 2……………………………………………………………………..20

Приложение 3……………………………………………………………………..22

Приложение 4……………………………………………………………………..23

Приложение 5………………………………………………………………….….24

Введение

Современная технология доменной плавки предполагает использование предварительно подготовленных железорудных материалов – агломерата и окатышей. Ведение, анализ и планирование процессов подготовки руд к плавке невозможно без расчета шихт и количественной оценки показателей процессов.

Целью выполнения курсовой работы является закрепление теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса «Теория и технология доменного процесса» и формирование умений и навыков выполнения расчетов основных явлений доменной плавки, необходимых специалисту в области металлургии черных металлов.

Для количественного описания установившихся режимов доменной плавки используют балансовые методы расчета, в основе которых лежат законы сохранения массы и энергии. Сравнение балансов, составленных применительно к действующему процессу, позволяет изучать его особенности и на основе этого прогнозировать характер его течения при изменении условий плавки. При составлении балансов проектируемой технологии (задача курсовой работы) основные параметры работы агрегата задаются, а результирующие характеристики определяются из системы балансовых уравнений.

Задачей курсовой работы является изучение балансовых методов расчета доменной плавки и приобретение навыков их использования для оценки степени развития процессов при заданных условиях.

Расчет состава доменной шихты

Расчет доменной шихты состоит в определении соотношения ее компонентов для получения чугуна заданной марки и шлака заданных свойств. В курсовой работе выполняется расчет удельных расходов шихтовых материалов для получения 1 тонны чугуна.

Исходные данные

Исходными данными для расчета состава доменной шихты являются:

1. Химический состав компонентов доменной шихты

Выбор состава шихты является важной и сложной инженерной задачей, требующей знания технологии процесса.

В качестве железорудного материала доменной плавки используют синтетические руды – продукты подготовки природных руд к плавке – агломераты, окатыши. В курсовой работе основной железорудный материал задан- это окатыши. Агломерат выбран исходя из следующего:

-доменная шихта, как правило, состоит из смеси агломератов и окатышей, доля окатышей не превышает 40 %;

-среднее содержание железа в шихте должно быть более 54 %;

средняя основность железорудных материалов не должна превышать 1,3;

-среднее содержание магнезии не должно быть более 2,5 %.

Указанные выше рекомендации обобщают производственный опыт и характеризуют наиболее общие случаи.

Балансовые методы расчета предполагают использование достоверной информации о химических составах материалов. Поэтому перед выполнением расчетов необходимо оценить достоверность информации, рассчитав полный химический состав шихтовых материалов. Признаком достоверности химического состава является равенство 100 % суммы всех оксидов и других соединений, входящих в состав материала.

Таблица 1

Химический состав шихтовых материалов

	Fe	Mn	P	V	Ti	S	FeO	Fe2O3	CaO	SiO2	Al2O3	MgO	MnO	FeS
агломерат	65,38	0,18	0,01	0,00	0,00	0,00	16,35	75,24	2,44	4,88	0,53	0,24	0,23	0,09
окатыши	63,00		0,01			0,050	1,20	88,67	3,70	3,90	1,10	1,00

Выбранные и рассчитанные данные занести в таблицу шихтовых материалов, включив в нее химические составы компонентов железорудной части шихты, средневзвешенный химический состав железорудных материалов, химические составы флюсов, кокса.

2. Для определения состава доменной шихты необходимо решить следующую систему уравнений:

Уравнение по основности шлака:

R_ЖРМ*RO_ЖРМ+R_Фл*RO_Фл+R_K*RO_K=-2,14[Si]B, (1)

Уравнение по выходу чугуна:

R_ЖРМ*e_ЖРМ+R_Фл*e_Фл+R_K*e_К=1, (2)

Уравнение по расходу кокса:

R_K= R_К^зд, (3)

где R_ЖРМ, R_Фл, R_K – расходы железорудных материалов, флюсов, кокса, соответственно, т/т чугуна; RO_ЖРМ, RO_Фл, RO_K – избыток (недостаток) оснований в железорудном материале, флюсах, коксе, соответственно, %; e_ЖРМ, e_Фл, e_К – выход чугуна из железорудного материала, флюса, кокса, соответственно, т/т; R_К^зд – заданный расход кокса, т/т чугуна.

Неоднородная система линейных уравнений (1-3) решается относительно расходов ЖРМ, флюсов и кокса, используя матричный способ. Для этого система уравнений приводится к виду:

AX=B, (4)

где A- основная матрица системы, B и X – столбцы свободных членов и решений системы соответственно:

Подставив соответствующие значения, получаем:

В= X=

Решение системы X=A^-1B приводится в приложении 1.

1.2. Оценка свойств доменного шлака

Свойства доменного шлака во многом зависят от основности, но не определяются только этим параметром, поэтому важно оценить свойства доменного шлака полученного состава.

Важнейшими физико-химическими свойствами доменного шлака, влияющими на ход и результаты доменной плавки, являются:

-температура плавления шлака;

-вязкость;

-сероулавливающая способность.

Температура плавления шлака определяет температурный интервал его плавления и тем самым высоту зоны вязкопластичного состояния шихтовых материалов. Вязкость шлака определяет характер его движения по коксовой насадке, степень заполнения коксовой насадки шлаком, газодинамическое сопротивление столба шихтовых материалов. От сероулавливающей способности шлака зависит качество получаемого чугуна.

Вязкость шлака зависит от его состава и определяется температурой. Известно, что для гомогенных жидкостей зависимость вязкости от температуры описывается уравнением Ньютона

A=3,037; B= -002.

Ƞ=A*exp(E/RT), (5)

Вязкость определяется по диаграммам:

Ƞ₁₄₀₀=32;

Ƞ₁₅₀₀=28.

где E – энергия активации вязкого течения, кДж/моль; Т – температура шлака, К; А – постоянная (зависит от состава шлака); R – газовая постоянная, кДж/моль·К.

Сероулавливающая способность шлака характеризуется коэффициентом распределения серы между шлаком и чугуном (LS, доли единиц):

L_S=(S)/[S], (6)

При заданных условиях получаем L_S=22.

Зная поступление серы с шихтовыми материалами, состав и выход шлака, с помощью коэффициента несложно рассчитать возможное содержание серы в чугуне по формуле, полученной из уравнения материального баланса серы:

(7)

2. Расчет расхода дутья

Удельный расход дутья является важным технологическом

показателем доменной плавки, так как позволяет оценить

производительность доменной печи при известном минутном расходе

дутья или выбрать дутьевой режим доменной плавки при заданной

производительности печи

Расчет основан на балансе кислорода, подаваемого в печь с дутьем для обеспечения процессов горения кокса и углеводородных добавок.

Удельный расход дутья, позволяет оценить производительность печи

V_уд=973,9 , тогда:

(8)

где P – производительность печи, т/мин;

V_Д^мин , V_Д –минутный и удельный расходы дутья соответственно, м3/мин и м3/т.

3. Расчет состава и выхода колошникового газа

Расчет удобно выполнять в табличной форме (прил. 6), в которой отражены балансы всех составляющих колошникового газа: азота, оксидов углерода, водорода, метана. По рассчитанному составу газа необходимо оценить степень использования восстановительного потенциала горнового газа.

Баланс азота

Азот в доменную печь поступает с дутьем, природным газом и

летучими кокса. Количество азота определяется химическим

составом материалов и их расходом

(9)

(10)

(11)
где V_N2^д, V_N2^пг, V_N2^к - количество азота, поступившего с воздухом,

природным газом и летучими кокса соответственно, м3/т;

Таким образом: V_N2^кг = V_N2^д+V_N2^пг+ V_N2^к

Баланс метана

Метан поступает с летучими кокса в количестве

(12)

Таким образом: V_CH4^кг=V_CH4^к+V_CH4^c (13)

Баланс водорода

Водород в доменной печи образуется при разложении влаги дутья

по реакции

H₂O + C = CO + H (14)

Количество образовавшегося по этой реакции водорода составит:

Всего с колошниковым газом из печи уносится водорода:

V_H2^кг=V_H2^д+V_H2^к+V_H2^пг+V_H2^кв+V_H2^CH4 (17)

Баланс диоксида углерода

Всего углекислого газа в доменной печи образуется

V_CO2^кг= V_CO2^кв+ V_CO2^к+ V_CO2^карб (18)

Баланс монооксида углерода

Монооксид углерода образуется при горении углерода твердого топлива и конверсии природного газа у фурм

V_CO^Ф=2V_O2 (19)

Всего с колошниковым газом из печи CO уносится в количестве:

V_CO^кг= V_CO^ф+ V_CO^пв+ V_CO^s+ V_CO^H20+ V_CO^к+ V_CO^кВ (20)

Расчет параметров колошникового газа

Рассчитав количество газов, покидающих печь через колошник, можно определить выход сухого колошникового газа ( сух Vкг , м3/т). Он составит:

Vкг^сух=V_N2^пг+V_CH4^пг+V_H2^пг+V_CO^пг+V_CO2^пг (21)

Полноту протекания восстановительных процессов характеризуют степенью использования монооксида углерода ( η_co , %/%), которая оценивается как доля CO₂ в общем количестве оксидов углерода в колошниковом газе:

η_co=CO₂/(CO+CO₂) (22)

Степень использования монооксида углерода составляет 0,3…0,5 %/%. По этим значениям можно оценить правильность выбора параметров комбинированного дутья и выполненных расчетов.

Результаты расчёта:

-Выход сухого колошникового газа составляет 1425,2 м³/т;

-Выход влажного колошникового газа составляет 1448,3 м³/т;

- η_co=0,29

4. Составление материального баланса доменного процесса

В таблицу материального баланса доменной плавки заносятся результаты расчета доменной шихты, расхода дутья, выхода продуктов плавки. Пример составления материального баланса приведен в приложении 4. Результаты расчета целесообразно представить также в графической форме. Приходная часть включает количество (в килограммах) железорудной части шихты (агломерат, окатыши, металлодобавки) флюсующих добавок, если они не входят в состав железорудной части; кокса; дутья и дутьевых добавок (газообразных, жидких,

твердых).

В расходной части фиксируется количество (в килограммах) продуктов плавки: чугуна, шлака, колошникового газа и пыли.

Невязка материального баланса позволяет оценить правильность подготовки исходных данных и выполненных расчетов.

Материальный баланс доменной плавки используется для сравнительной оценки расходных коэффициентов при разных технологиях доменной плавки и, совместно с анализом шлакового режима, позволяет выбрать оптимальные параметры доменного процесса: состав шихты, параметры комбинированного дутья.

5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Тепловой баланс доменной плавки отражает тепловую работу печи в целом и позволяет определить распределение тепла между всеми процессами доменной плавки, определить теплопотребность процесса и тем самым расход твердого топлива – кокса, а также выполнить анализ тепловых процессов для разработки мероприятий по снижению удельного расхода кокса.

Расчет базируется на результатах расчета материального баланса, выполненных ранее.

Приходная часть теплового баланса

Приходная часть теплового баланса включает следующие статьи.

Расходная часть теплового баланса

Расходные статьи теплового баланса рассчитываются по приведенным ниже уравнениям:

Тепловые потери печи

Удельные тепловые потери печи определяются состоянием кладки печи, системы охлаждения, зависят от размеров печи и ее производительности.

В соответствии с тепловым балансом печи тепловые потери ( Qп ,MДж/т) составляют разность между приходом тепла в доменную печь и затратами тепла на осуществление доменного процесса и могут быть рассчитаны по формуле:

Q_п= Q_г+ Q_д+ Q_пг+ Q_агл- Q_Fe- Q_эл+ Q_вл^ш+ Q_вл^д+ Q_ППП+ Q_ч+ Q_ш+ Q_кг. (34)

Тепловые потери составили 16,03%, норма тепловых потерь для печей большого объема составляет 15%.

Заключение.

В результате выполнения курсовой работы на тему «Балансовые расчёты доменной плавки» мною были проведены соответствующие вычисления позволяющие контролировать основность шлака путём изменения соотношения агломерат/окатыши при выводе из состава шихты флюсов.

Данная операция вполне оправдана и имеет место быть, но не стоит превышать отметку расхода окатышей в 40 кг/т чугуна, потому как это может повлечь за собой ряд последствий связанным с расстройством в работе доменной печи. Расчёты проводились под марку чугуна П2 соответствуя потребностям ОАО «НТМК».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Шумаков Н. С. Сырые материалы и топливо для доменной

плавки (характеристика и методы подготовки) / Н. С. Шумаков,

А. Н. Дмитриев. Екатеринбург : УрО РАН, 2007. 392 с.

2. Коротич В. И. Теоретические основы технологий окускования

металлургического сырья. Агломерация / В. И. Коротич,

Ю. А. Фролов, Л. И. Каплун. Екатеринбург : ГОУ ВПО

УГТУ−УПИ, 2005. 417 с.

3. Металлургия чугуна : учебник для вузов / Е. Ф. Вегман [и др.].

М. : ИКЦ ≪Академкнига≫, 2004. 774 с.

4. Доменное производство. В 2 т. / под ред. Е. Ф. Вегмана. М. :

Металлургия, 1989. 496 с.

5. Товаровский И. Г. Анализ показателей и процессов доменной

плавки / И. Г. Товаровский, В. В. Севернюк, В. П. Лялюк.

Днепропетровск : Пороги, 2000. 420 с.

Шихтовый материал	Расход, кг/т	Химический состав, %
Шихтовый материал	Расход, кг/т	Fe	Mn	P	V	Ti	S	FeO	Fe2O3	CaO	SiO2	Al2O3	MgO	MnO	FeS	SO3	P2O5	V2O5	TiO2	ППП / С,Л	XO	Влага	Всего
Окатыши ЛебГОК	40	65,38	0,18	0,01	0,00	0,00	0,00	16,35	75,24	2,44	4,88	0,53	0,24	0,23	0,09	0,00	0,03	0,00	0,00	0,00	-0,01	0,00	100,00
Агломерат НТМК	60	56,70					0,001	13,10	66,44	6,60	5,20	1,20	7,45			0,00	0,00				0	0	100,00
ЖРМ	1588,6	60,17	0,07	0,00	0,00	0,00	0,00	14,40	69,96	4,94	5,07	0,93	4,57	0,09	0,03	0,00	0,01	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	100,00
известняк	1,5	0,52	0,00	0,01	0,00	0,00	0,00	0,00	0,74	54,77	0,54	0,44	0,30	0,00	0,00	0,02	0,03	0,00	0,00	43,16	0,00	2,00	100,00
кокс	397,5	0,00					0,580	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	3,50	100,00
зола	10	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
Итого поступило, кг/т		955,91	1,12	0,08	0,00	0,00	2,32	228,73	1111,44	79,19	80,55	14,81	72,55	1,44	0,55	0,02	0,18	0,00	0,00	0,63	-0,06	13,94	1604
Улетучилось, кг/т							0,058
Перешло (восстановилось) в чугун, кг/т		954,953	0,671	0,076			0,3				4,00									40,00			1000
Перешло в шлак, кг/т		0,956	0,447	0,000	0,000	0,000	1,967	1,23	0,00	79,19	71,99	14,81	72,55	0,58		4,92	0,00						245,27
Состав чугуна, %		95,50	0,50	0,200			0,030
Состав шлака, %		0,39	0,18	0,00	0,00	0,00	0,80	0,50	0,00	32,29	29,35	6,04	29,58	0,24	0,00	2,00	0,00	0,00	0,00
										67,67919
Состав чугуна, [Si] %	0,4		Степень перехода элеменов в чугун, %
[S]	0,03			Fe	Mn	P	V	Ti
[C]	4			99,90	60,00	100,00
Основность шлака, %/%	1,10		Степень улетучивания серы, %					2,5
Удельный расход кокса, кг/т	397,50	394,53	Вынос колошниковой пыли, %					1,5

Параметр	Обозна-чение	Шихтовый материал
Параметр	Обозна-чение	ЖРМ	известняк	кокс
Выход чугуна	e	0,629	0,005	0,000
Избыток недостаток оснований	RO	-0,642	54,176	0,000

Система уравнений

Матрица коэффициентов системы уравнений

Решение системы уравнений

ЖРМ

известняк

кокс

Чугун

0,629

0,005

0,000

1,000

Расход ЖРМ т/т чугуна

1,589

1,5885

-0,0002

-0,642

54,176

0,000

-0,942

Расход известняк т/т чугуна

0,001

0,0188

0,0185

кокс

0,000

1,000

0,398

Расход кокс т/т чугуна

0,398

Удельный расход шихтовых материалов, кг/т чугуна

Сухие материалы

С учетом выноса колошниковой пыли

С учетом влажности материалов

ЖРМ

1588,6

1612,4

1588,6

известняк

1,5

кокс

397,5

403,5

411,4

Всего

1987,6

2017,4

2001,5

Пересчет состава шлака на 3х компанентную систему

CaO

SiO2

Al2O3

47,71

43,37

8,92

Основность шлака, %/%

1,10

Выход шлака, кг/т чугуна

245,27

Вязкость шлака, пуаз

при t=

1400С

0,08066976

при t=

1500С

5,5

-0,1305555

Коэффициенты политермы вязкости шлака

3,03782

-0,00211

Политерма вязкости шлака

t, С

Вязкость, пуаз

1350

34,3

0,186282

1375

22,9

0,133476

1400

16,0

0,08067

1425

11,6

0,027863

1450

8,8

-0,02494

1475

6,9

-0,07775

1500

5,5

-0,13056

1525

4,5

-0,18336

1550

3,8

-0,23617

Температура плавления шлака

(вязкость= 25 пуаз)

1369

Коэффициент распределения серы между шлаком и чугуном

при заданных условиях:

1,10

[Si]=

0,4

составляет

L_S=

Оценка [S]

[S]_расч=

0,035

[S]_зд=

0,030

ппе


Расход кокса, кг/т чугуна		397,5	Содержание углерода в коксе, %				86,65
Степень прямого восстановления		0,3

Состав чугуна, %	Fe	Mn	P	Si	Ti	V	C
	95,50	0,50	0,20	0,40	0,00	0,00	4,00
Выход шлака, кг/т чугуна		245,3	Содержание серы в шлаке, %				0,80

Количество гидратной влаги, поступившей с шихтовыми материалами, кг/т		-0,2	Степень разложения гидратной влаги углеродом, %				15,00
Доля углерода, идущего на образование метана, %		0,80
Расчет количества углерода кокса, сжигаемого на фурмах, кг/т чугуна
Источник, процесс	Обозначение	Значение
Поступление с коксом	G_K^C	344,4
Расход на прямое восстановление	G_K^ПВ	67,84
Расход на десульфурацию чугуна	G_K^S	0,74
Расход на разложение гидратной влаги	G_K^H2O	9,29
Расход на образование метана	G_K^CH4	0,00
Растворение в чугуне	G_K^ЧУГ	40
Количество углерода кокса, сжигаемого на фурмах	G_K^Ф	226,56
Количество кислорода, необходимого для сжигания углерода кокса, м³/т чугуна	V_O2^K	211,45

	Расход, м³/т чугуна	Химический состав, %
	Расход, м³/т чугуна	СН₄	C₂H₆	C₃H₈	CO₂	N₂
Природный газ	50,0	95,4	0,6	0,2	0,8	3,0

Количество кислорода, необходимого для конверсии природного газа, м³/т чугуна	V_O2^ПГ	24,1

Потребность процесса в кислороде, м3/т чугуна	V_O2	235,5533215

Влажность дутья, г/м³	H₂O	9
м³/м³	j	0,0112
Содержание кислорода в дутье, %	O₂	23
м³/м³	w	0,23

Расход влажного дутья, м³/т чугуна	V_Д^ВЛ	1010,85
Количество влаги, м³/т чугуна	V_Н2О	11,32
Расход сухого дутья, м³/т чугуна	V_Д^СУХ	999,53

Содержание кислорода в техническом кислороде, %		99,0

Расход сухого воздуха, м³/т чугуна	V_В^СУХ	973,9	0,974359
Расход технического кислорода, м³/т чугуна	V_O2^ТЕХН	25,6

Балансовые расчёты доменного процесса 📙 Курсовая → 🆔 33648

Балансовые расчёты доменного процесса

Министерство образования и науки Российской Федерации