Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет доменной шихты

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

_____________________________________________________________________________________________________________

Специальность – металлургия черных металлов

Кафедра «Металлургия черных металлов»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Производство чугуна и прямое получение железа»

Тема: РАСЧЕТ ДОМЕННОЙ ШИХТЫ

Содержание
	С
Введение	3
1 Описание сырьевой и топливной базы завода	4
2 Подготовка руд к доменной плавке	7
3 Металлургические расчеты	11
3.1 Расчет чистых компонентов из окислов	11
3.2 Расчет чистых компонентов из окислов	13
3.3 Определение удельного расхода шихтовых материалов	14
3.4 Определение физико-химических свойств шлака	19
3.5 Определение реально расхода шихтовых материалов.	23
4 Процесс жидкофазного восстановления железа, ROMELT.	25
Заключение	29
Список использованных источников	30

Введение

Доменное производство – это производство чугуна восстановительной плавкой железных руд или окускованных железорудных материалов в доменных печах. Первое основное звено в общем производственном цикле чёрной металлургии.

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. 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.

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

Основной задачей модернизации доменного производства является восстановление и совершенствование производственных мощностей, уменьшение энергозатрат и себестоимости производства.

1. Описание сырьевой и топливной базы завода

На Магнитогорский металлургический комбинат железная руда будет поставляться с Магнитогорского месторождения, которое находится в Магнитогорском районе Свердловской области. Запасы месторождения составляли 450 млн.т.

Железная руда контактно-метасоматического генезиса (скарновые месторождения). Генезис это

Месторождение представлено магнетитами и в незначительной части мартенитами, с содержание железа 40-59%, но в среднем 55-56%.

Магнетит или магнитный железняк — минерал состава Fe3O4 или FeO•Fe2O3 (72,4% железа и 27,6% кислорода), нередко в виде примеси содержит титановую кислоту (TiO2). Встречается или в виде отдельных кристаллов и кристаллических друз, или же зернистых масс. Кристаллы принадлежат правильной системе и представляют главным образом октаэдр и ромбический додекаэдр. Состав и свойства изменчивы и зависят от условий образования.

Цвет железо-чёрный, блеск. Твердость 5,5-6. Плотность 5200 кг/м3. Сильно магнитен.

Промышленные месторождения магнетита связаны с контактово-метасоматическими образованиями.

Пустая порода глиноземистая в которой отношении SiO2:Al2O3 составляет около 4,0.

В доменной руде содержится вредная примесь сера, в нижних коренных рудах до 2%.

Также на Магнитогорский металлургический комбинат железная руда будет поставляться с Сколовско–Сорбайского месторождения, расположенного в Кустанайской области (Казахстан). Запасы месторождения легкообогатимых руд этого района – 3,6 млрд. т. Месторождение относится к типу контактово-метасоматических. В контакте известняков с диоритовыми порфиритами образовались скарны и магнетитовые руды.

Тип добываемой руды - магнетит.

Основность пустой породы 0,3-0,5.

Среднее содержание железа в руде в целом по месторождению равно 47,4%. Руды малосернистые и малофосфористые (среднее содержание серы - 2,04%, фосфора - 0,11%).

Флюсы для металлургического комбината будут поступать с Агаповского месторождения. Расположенного в Агаповском районе Челябинской области, в 12 км от г. Магнитогорска.

Месторождение представлено чередующимися слоями чистых и доломитизированных известняков и доломитов, что обуславливает повышенное содержание магнезии (3,75%) в добываемых известняках.

Содержание CaO в них составляет 52,0% при низком содержании фосфора (0,015%) и серы (0,07%).

Месторождение разрабатывается открытым способом.

Топливом для Магнитогорского металлургического комбината является магнитогорский кокс, получаемый из смеси кузнецких и карагандинских углей. По составу кокс подобен кузнецкому, однако повышенное содержание золы и серы в карагандинском угле повышает содержание их в коксе. Содержание серы составляет около 0,6%, а золы – 12% при такой же прочности, как и кузнецкого.

Карагандинский угольный бассейн. Расположенного в Карагандинской области Казахстана. Площадь бассейна 3600 км2 при длине 120 км и ширине 30-50 км. Мощность рабочих пластов колеблется в пределах 0,7-2,5 м, единичные пласты достигают 7+8 м. Разведанные запасы свыше 90 млрд.т.

Добыча ведется подземным способом.

Угли гумусовые, каменные. Примерно 1/3 коксующихся углей легкообогатима.

Угли малосернистые (содержание серы редко превышает 1%). Содержание фосфора 0,01-01%.

Теплота сгорания углей находится в пределах от 29,3-35,6 Мдж/кг (7500 - 8750 ккал/кг).

Кокс из карагандинских углей характеризуется повышенным содержание золы (до 13%).Прочность кокса удовлетворительная.

Кузнецкий угольный бассейн является одним из самых крупных угольных месторождений мира, расположен на юге Западной Сибири. Общая площадь котловины составляет около 70 тыс. км2, из них 26,7тыс. км2 заняты угленосными отложениями. Общие геологические запасы до глубины 1800 м составляют 725 млрд. т. Сложена песчано-глинистыми осадками с многочисленными пластами угля. Угленосная толща содержит около 260 угольных пластов различной мощности. Преобладающая мощность пластов угля от 1,3 до 3,5 м Имеются пласты в 9-15 и даже в 20 м, а в местах раздувов до 30 м. По качеству угли разнообразны и относятся к числу лучших. В глубоких горизонтах они содержат: золы 4–16%, влаги 5 –15%, фосфора до 0,12%, летучих веществ 4–42%, серы 0,4–0,6%; обладают теплотой сгорания 7000-8600 ккал/кг (29,1-36,01 Мдж/кг); угли, залегающие вблизи поверхности, характеризуются более высоким содержанием влаги и золы и пониженным — серы.

2. Подготовка руд к доменной плавке

В настоящие время ни один вид металлургического сырья не используется без предварительной подготовки, техническая необходимость и высокая экономическая эффективность подготовки привели к быстрому ее развитию. В общем комплексе подготовки сырья главными являются обогащение и окускование, однако осуществить их можно только после ряда вспомогательных операций. Поэтому всю подготовку сырья делят на дробление измельчение, грохочение и классификацию, обогащение, окускование и обжиг.

Добываемая руда подвергается дроблению и измельчению, так как величина крупных кусков при добыче превышает размеры кусков руды, допустимых по условиям технологии доменной плавки.

Для крупного и среднего дробления используют установки, называемые дробилками, а для тонкого измельчения применяют мельницы.

Для крупного и среднего дробления используют в основном щековые и конусные дробилки, для мелкого дробления – валковые и молотковые, а для тонкого измельчения – шаровые мельницы.

В щековых дробилках дробление руды производится между двумя дробящими поверхностями по методу раздавливания в момент приближения подвижной щеки к неподвижной. Дробилка состоит из массивной неподвижной рамы (корпуса), в которой укреплена неподвижная щека. Подвижная щека подвешена на горизонтальном валу.

В конусной дробилке дробление осуществляется истиранием и раскалыванием породы с помощью между наружным неподвижным и внутренним подвижным конусами различного диаметра.

Роторные дробилки осуществляют дробление вращающимся ротором с прикрепленными молотками или ножами;

Молотковые дробилки дробят материал ударами молотков, шарнирно закрепленных на быстро вращающемся роторе.

Грохочением называется разделение руды на классы по крупности. Для руд, поступающих на металлургический завод без обогащения, грохочение является самостоятельной и очень важной операцией, в процессе которой выделяют мелкую руду (0-10 мм) для агломерации, а крупную (более 10 мм) сортируют на два класса: доменную (10-30 мм) и мартеновскую (30-80 мм).

При обогащении руд на обогатительных фабриках грохочение является вспомогательной операцией, совмещаемой с дроблением руд. Это позволяет загружать в дробильные устройства только те фракции, которые подлежат дроблению, а следовательно, уменьшить расход электроэнергии на дробление, повысить производительность дробильных устройств и качество дробления. Грохочение руд осуществляется на механических ситах.

Подлежащий грохочению материал поступает на грохот и под действием гравитационных и инерционных сил продвигается по ситу к выходному концу короба. При этом в зависимости от технологического назначения грохота происходит деление материалов на фракций, промывка водой, обезвоживание и освобождение от шлама

Классификация - разделение фракций по крупности зёрен размером менее 1 мм за счёт действия центробежных сил или силы тяжести.

Обогащением руды называется операция, увеличивающая содержание железа или снижающая содержание вредных примесей в руде. Обогащение позволяет существенно повысить содержание железа в шихте доменных печей, улучшить условия восстановления железа, уменьшить выход шлака, улучшая тем самым ход печи и снижая расход кокса при возрастающей производительности.

Для обогащения магнетитовых руд применяется мокрая магнитная сепарация, которая основана на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. Процесс ведут в сепараторах с небольшой напряженностью магнитного поля. В случае мокрого магнитного обогащения тонкоизмельчённая магнетитовая руда с водой поступает под барабаны, вращающиеся навстречу потоку пульпы и извлекающие из него ферромагнитные минералы.

На данном предприятии применяются противоточные ванны, в которых материал обогащения подаётся навстречу движения магнитного барабана (обечайки). В этом случае, к свободной поверхности магнитного барабана в конце рабочей зоны притягиваются сначала под действием магнитной силы менее магнитные частицы, затем прижимаются к поверхности сильномагнитные частицы по мере приближения рабочей поверхности к месту загрузки исходного материала, обеспечивая тем самым максимальное извлечение магнитных частиц.

Окускование полезных ископаемых - это процесс превращения мелких классов полезных ископаемых в куски с заданными свойствами для их более эффективного использования. Получаемые в результате глубокого обогащения концентраты руд чёрных и цветных металлов, как правило, непригодны для непосредственного использования в плавке или других технологических процессах и требуют окускования. В зависимости от вида полезного ископаемого и его последующего передела окускование осуществляется агломерацией, окомкованием или брикетированием.

Агломерация - это процесс окускования мелких руд, концентратов и колошниковой пыли спеканием. Агломерацию следует рассматривать шире, чем окускование, так как при этом удаляются некоторые вредные примеси (сера и частично мышьяк), разлагаются карбонаты и получается кусковой пористый, к тому же офлюсованный материал.

Наибольшее распространение получил способ спекания рудной мелочи на колосниковой решетке с просасыванием воздуха через слой шихты.

В агломерационную шихту вводят не только железосодержащие материалы, но также известняк и другие добавки (марганцевую руду, отходы производства). Такую шихту тщательно перемешивают. В результате увлажнения при перемешивании во вращающемся барабане она приобретает более или менее зернистую структуру (окомковывается).

Спекание осуществляется на колосниковой решетке. На колосниковую решетку ( чаши или вращающейся ленты) загружают так называемую постель высотой 30 - 35 мм, состоящую обычно из возврата крупностью 10-25 мм. Затем загружают шихту (200-250 мм). Под колосниковой решеткой создается разрежение около 7-10 кн/м2, в результате чего с поверхности в слой засасывается наружный воздух.

Чтобы процесс начался, специальным зажигательным устройством нагревают верхний слой шихты до 1200 – 1300 °С и топливо воспламеняется. Горение поддерживается в результате просасывания атмосферного воздуха. Зона горения постепенно продвигается сверху вниз (до колосников) со скоростью 10 - 40 мм/мин. При достижении зоны горения постели процесс спекания заканчивается. Он обычно продолжается 10 - 20 минут.

3. Металлургические расчетыпеч

Расчет доменной шихты выполняется на 100 кг чугуна. Цель расчета обеспечить заданный состав металла и шлака для получения качественного передельного чугуна с требуемыми составом и свойствами.

3.1 Исходные данные

Таблица 1 – Химический состав чугуна, %

Химический состав чугуна %
Основность шлака	Si	S	C+P	Fe+Mn
1,10	0,64	0,020	4,56	94,78

Таблица 2 – Химический состав шихтовых материалов и золы кокса %

Материал	Уд.расход, кг/100 кг чугуна	FeO	Fe2O3	SiO2	Al2O3	CaO	MgO
Железная руда	2	0,58	78,93	12,20	5,16	0,16	0,06
Агломерат №1	60	12,70	61,55	10,40	1,10	12,30	1,70
Агломерат №2		11,50	62,00	10,30	1,20	12,30	1,20
Известняк		-	0,30	1,30	0,50	54,00	0,70
Зола кокса		-	29,29	41,20	21,55	4,46	1,77

Продолжение таблицы 1

Материал	MnO	FeS	SO3	P2O5	W	п.п
Железная руда	0,05	0,04	-	0,16	2,66	3,00
Агломерат №1	0,15	0,04	-	0,06	-	-
Агломерат №2	0,20	0,04	-	0,05	-	-
Известняк	-	-	0,30	0,10	42,80	2,00
Зола кокса	0,13	-	1,00	0,60	-	-

Таблица 3 – Технический состав кокса

Расход кокса, кг	Технический состав кокса
K	A	S	W
43,5	11,30	0,62	4

Принимаем, что в процессе доменной плавки:

с колошниковым газом улетучивается 2 % серы, от общего количества серы шихты;
при плавлении 99,8 % железа восстанавливается в чугун, остальное переходит в шлак;
фосфор полностью переходит из шихты в чугун;
при плавлении 60% марганца восстанавливается в чугун, 40 % переходит в шлак;
потери чугуна со скрапом и шлаком ( в виде корольков) составляют 0,5 %;
вынос пыли определяется учетом работы доменной печи (давления газа на колошнике);

Таблица 4 – Вынос материалов из доменной печи

Материалы	При давлении на колошнике, кПа
Материалы	110	170	200	250-280
Железная руда, агломерат	5,0	3,0	2,5	2,0
Кокс	1,0	0,8	0,7	0,6
Известняк	1,5	0,9	0,8	0,6

3.2 Расчет чистых компонентов из окислов

Для определения компонентов шихты необходимо составить и решить систему балансовых уравнений. Расчет уравнений производится на основе чистых элементов. Поэтому предварительно производим пересчет процентного содержания окислов в шихте на содержание чистых элементов. Перерасчет производится из соотношений:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Следовательно железа в окатышах, агломерате 1и 2 содержится:

3.3 Определение удельного расхода шихтовых материалов

Для получения 100 кг чугуна необходимо рассчитать расход агломератов 1 и 2 и окатышей. Для этого за X принимаем расход агломерата 1, а за Y расход окатышей, кг. Составляем два балансовых уравнения:

По балансу железа и марганца в чугуне

(8)

где [Fe], [Mn] ‒ содержание железа и марганца в чугуне, %;

ηFe, ηMn - степень перехода железа и марганца в чугун;

Fex,y,з.к. - содержание железа в отдельных компонентах доменной шихты, %;

X, Y, - удельный расход компонентов доменной шихты, кг;

К - удельный расход кокса, кг;

А - содержание золы в коксе, %.

После преобразований уравнение принимает следующий вид:

(I)

по основности шлака

(9)

где CaO1 , CaOизв, CaOз.к., CaO2, , , , , SiO2з.к. - содержание извести и кремнезема в составляющих доменной шихты, %.

(SiO2)[Si] - количество кремнезема расходуемое на восстановление кремния из чугуна.

(10)

где [Si] - содержание кремния в чугуне, %;

60 - молекулярная масса кремнезема;

28 - атомная масса кремния.

После преобразование уравнение имеет вид:

(II)

Решая систему из двух уравнений (I) и (II) с двумя неизвестными, получаем, что

X = 114,12 кг; Y = 1,629 кг.

Для проверки произведенных расчетов составляем балансовую таблицу 5, в которой определяем количество элементов и оксидов, вносимых составляющими шихты, а также количество и состав шлака и состав чугуна.

При составлении балансовой таблицы принимаем:

при расходе 43,5 кг кокса в шихту вносится золы в количестве

кг,

где 11,30 - содержание золы в коксе, %;

в коксе содержится 0,62 % серы. Следовательно с коксом вносится серы

кг;

количество кремнезема, расходуемое на восстановление кремния, чугуна определяем по формуле (10)

кг;

по условию принято, что 2% серы от общего количества серы, поступившей в печь, улетучивается из доменной печи с колошниковым газом составляет

кг;

на ошлакование 0,2176 кг серы необходимо израсходовать извести (CaO)

кг;

по условию 0,2 % железа от общего количества, поступившего в печь, переходит в шлак

кг Fe,

из него оксида FeO будет

кг;

по условию 40 % марганца от общего количества поступившего в печь, переходит в шлак

кг,

из него оксида марганца (MnO) будет

кг;

при переходе в шлак 0,2176 кг серы образуется CaS

кг;

при расчете количества шлака складывается соединения (окислы) элементов, входящих в шлак

кг.

Таблица 5 - Балансовая таблица

Стастьи балланса	Масса, кг	SiO2		Al2O3		CaO		MgO		Fe		Mn		S		P
		%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг
Железная руда	2	12,20	0,244	5,16	0,1032	0,16	0,0032	0,06	0,0012	55,727	1,145	0,0387	7,75 10-4	0,0146	2,9 10-4	0,06992	1,398 10-3
Агломерат №1	60	10,40	6,24	1,10	0,66	12,30	7,38	1,70	1,02	52,988	31,79	0,116	0,0698	0,0146	0,0087	0,026	0,0157
Агломерат №2	114,12	10,30	11,75	1,20	1,369	12,30	14,037	1,20	1,369	53,37	60,906	0,155	0,177	0,0146	0,0166	0,02185	0,0249
Известняк	1,629	1,30	0,021	0,50	0,0082	54,00	0,8796	0,70	0,0014	0,21	0,0034	-	-	0,12	0,00195	0,0437	0,0007
Зола кокса	4,92	41,20	2,027	21,55	1,06	4,46	0,219	1,77	0,087	20,503	1,0087	0,1007	4,96 10-3	0,62	0,2697	0,26	0,0129
Всего вносится шихтой			20,282		3,2004		22,52		2,4886		94,823		0,253		0,297		0,0556
Восстанавливается в чугун			1,37								94,633		0,152		0,020		0,0556
Улетучивается с колошниковыми газом															0,0594
Расходуется на образование CaS							0,3808								0,2176
Переходит в шлак, кг			18,912		3,2004		22,139		2,4886		0,1897 (0,244)		0,101 (0,131)		0,2176 (0,4896)
Количество и состав шлака	47,36	39,3		6,76		46,75		5,26		0,515		0277		1,034

3.4 Определение физико-химических свойств шлака

Пересчитываем состав шлака с фактического на 4 и 3 компонента и результаты заносим в таблицу 6.

Таблица 6 - Химический состав четырех- и трехкомпонентного шлака

Составляющие	Содержание в шлаке
Составляющие	Фактическое	Пересчет на 4 к.	Пересчет на 3 к.
SiO2	39,93	40,46	40,46
Al2O3	6,76	6,85	6,85
CaO	46,75	47,36	RO = 52,69
MgO	5,26	5,33	RO = 52,69
∑	98,7	100	100

Полученный при плавке шлак проверяется на десульфурирующую способность, вязкость, плавкость.

Десульфурирующая способность шлака. Для представления о распределении серы между чугуном и шлаком, проводим оценку десульфурирующей способности по методам А.Н. Рамма и И.С. Куликова.

По эмпирической формуле А.Н. Рамма для получения чугуна с содержание 0,017 % серы содержание оснований в шлаке должно быть равно

где (Al2O3), (S) - соединения глинозема и серы в шлаке, %;

[Si], [S] - содержание кремния и серы в чугуне, %;

n - относительное количество шлака.

(12)

Фактически в шлаке содержится оснований

Rофакт = (CaO)+(MgO)+(MnO)+(FeO) =

= 46,75+5,26+0,277+0,515=52,802 %, (13)

Т.к. Roфак > Roтр следовательно, шлак по Рамму обладает избыточной десульфурирующей способностью.

Для контроля проверим десульфурирующую способность шлака по методу И.С. Куликова.

Для расчета L0s И.С. Куликов предложил формулу

(14)

где f[s] - коэффициент активности серы;

p[co] - парциальное давление оксида углерода в горне, атм.

(15)

(16)

где (CaO), (MgO), (MnO), (SiO2), (Al2O3) ‒ содержание окислов в шлаке, %.

Ход реакции десульфурации зависит от активности серы в металле. В случае много компонентных систем (чугун) для определения коэффициента активности используют формулы, справедливые для определенных диапазонов концентрации. При этом следует учитывать влияние на коэффициент активности всех элементов присутствующих в чугуне.