Расчет плавки доменной печи
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ
(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Кафедра руднотермических процессов
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине
«ПОДГОТОВКА РУД К ПЛАВКЕ И ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА»
Москва 2000
Содержание
1. Определение расхода шихтовых материалов……………………………………... 1.1. Исходные
данные для расчета……………………………… 1.1.1. Состав чугуна…………………………………………… 1.1.2. Сырые материалы……………………………………… 1.1.3. Условия доменной плавки……………………………………………….. 1.2.Определение расхода шихтовых материалов кроме кокса……………………. 1.2.1. Выход чугуна из
компонентов шихты………………………………… 1.2.2. Баланс марганца
в компонентах шихты и чугуна…… 1.2.3. Баланс основностей
компонентов шихты и доменного 1.3. Определение удельного расхода кокса………………………………………… 1.3.1. Тепловые эквиваленты
элементов и соединений…………………… 1.3.1.1. Тепловой эквивалент
сгорающего у фурм углерода………… 1.3.1.2. Тепловой эквивалент
углерода прямого 1.3.1.3. Тепловой эквивалент окиси кальция……………………………….. 1.3.1.4. Тепловой эквивалент окиси кремния………………………………. 1.3.1.5. Тепловой эквивалент окиси алюминия…………………………….. 1.3.1.6. Тепловой эквивалент окиси магния………………………………… 1.3.1.7. Тепловой эквивалент серы…………………………………………... 1.3.1.8. Тепловой эквивалент фосфора……………………………………… 1.3.1.9. Тепловой эквивалент марганца……………………………………... 1.3.1.10. Тепловой эквивалент железа………………………………………. 1.3.1.11. Тепловой эквивалент
кремния переходящего в чугун…… 1.3.1.12. Тепловой эквивалент гидратной воды…………………………….. 1.3.1.13. Тепловой эквивалент углекислоты, выделяющейся из
карбонатов…………………………………………………… 1.3.2. Определение тепловых
эквивалентов компонентов
шихты и дополнительного 1.3.2.1. Тепловой эквивалент железорудной смеси………………………… 1.3.2.2. Тепловой эквивалент марганцевой руды…………………………... 1.3.2.3. Тепловой эквивалент известняка (флюса)…………………………. 1.3.2.4. Тепловой эквивалент кокса…………………………………………. 1.3.2.5. Тепловой эквивалент природного газа……………………………... 1.3.4. Определение удельного расхода компонентов шихты и состава шлака, проверка состава чугуна и основности шлака………………….. 1.3.5. Определение температуры 2. Определение состава колошникового газа доменной плавки……………………. 2.1. Определение количества двуокиси углерода………………………………… 2.1.1. Определение количества кислорода шихты, переходящего в газ…… 2.1.2. Определение количества
кислорода шихты, отнятого
восстановлении………………………………………… 2.2. Определение количества окиси углерода…………………………………….. 2.3. Определение количества азота………………………………………………... 2.4. Определение количества водорода…………………………………………… 2.5. Определение количества метана……………………………………………… 2.6. Показатели восстановительной работы газа…………………………………. 2.7. Проверка степени
непрямого восстановления……………… 3. Составление материального и теплового балансов доменной плавки…………... 3.1. Материальный баланс…………………………… 3.2. Тепловой баланс……………………………………… 3.2.1. Приход тепла……………………………………………… 3.2.2. Расход тепла……………………………………………… 3.2.3. Показатели тепловой работы доменной печи………………………….
|
3 3 3 3 4 7 7 8 9 10 12 12 14 14 15 15 15 16 17 17 18 19 20
21
22 22 22 22 23 23
26 27 29 29 29
31 34 35 35 36 36 37 38 38 38 39 40 44 45 45 |
- Определение расхода шихтовых материалов.
Расчет расхода шихтовых материалов производят при проектировании доменных цехов и печей, при изменении условий плавки и в других необходимых случаях.
Для выполнения расчета необходимо иметь данные о химическом составе сырых материалов, составе чугуна, сведения о температуре и составе дутья и некоторые другие данные.
- Исходные данные для расчета.
- Состав чугуна.
В доменных печах выплавляют преимущественно передельный, реже литейный чугун и ферросплавы. В зависимости от содержания основных компонентов (кремний, марганец, фосфор, сера и т. д.) доменные чугуны подразделяются на марки, группы, классы, категории и степени.
Компонент |
|||||
|
%(масс.) |
4.00 |
0.700 |
0.160 |
0.073 |
0.021 |
Содержание углерода в чугуне можно определить расчетом по содержанию в нем других элементов.
- Сырые материалы.
а) Железорудная часть шихты состоит из смеси агломерата и окатышей.
б) Марганцевая руда.
в) Флюс. Основными видами доменного флюса являются известняк и доломитизированный известняк
г) Кокс.
Компонент |
|||||
|
%(масс.) |
13.840 |
0.540 |
1.020 |
2.600 |
84.600 |
Здесь , , , - содержание в коксе нелетучего углерода, золы, серы и летучих, определенное на сухую массу, причем
- содержание влаги (сверх )
д) Дополнительные виды топлива. В данном расчете использован природный газ, удельный расход которого
Компонент |
|||||||
|
%(объем.) |
85.90 |
3.10 |
1.00 |
0.40 |
0.10 |
9.44 |
0.06 |
- Условия доменной плавки.
а) Основность шлака,
где:
- содержание соответствующих компонентов
в
шлаке, %
б) Температура горячего дутья
в) Состав сухого дутья. Содержание кислорода в дутье , тогда содержание будет равно (или )
г) Влажность дутья
д) степень развития прямого и непрямого восстановления.
,
е) Степень использования восстановительной способности водорода.
где: - количество водяного пара в колошниковом газе, образующегося в печи при восстановлении, ;
- количество водорода
- количество водорода внесенного в печь восстановительным газом;
- количество водорода
может находиться в пределах . В расчете
ж) Температура отходящих газов на колошнике может колебаться в пределах . Температура колошникового газа .
з) Теплосодержание чугуна можно ориентировочно определить по следующим формулам:
для передельного чугуна
для литейного чугуна
Здесь - температура чугуна, составляющая для передельного чугуна , литейного - .
В расчете температура чугуна -
и) Теплосодержание шлака
к) Тепловые потери включают: тепло, унесенное охлаждающей водой, наружные тепловые потери через стены доменной печи лучеиспусканием и конвекцией и через фундамент теплопроводностью.
В расчете
Материал |
(1)
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
Агломерат |
54.873 |
0.077 |
0.040 |
0.041 |
63.290 |
13.590 |
10.945 |
1.950 | |
Окатыши |
64.500 |
0.070 |
0.039 |
0.020 |
0.156 |
88.810 |
3.000 |
1.050 |
0.400 |
Железорудная смесь (2) |
55.355 |
0.077 |
0.040 |
0.040 |
0.008 |
64.566 |
13.061 |
10.450 |
1.873 |
Марганцевая руда |
7.280 |
19.963 |
0.437 |
0.200 |
10.400 |
4.000 |
3.000 | ||
Известняк |
0.105 |
0.044 |
0.264 |
0.150 |
53.750 |
0.600 | |||
Зола кокса |
8.260 |
0.170 |
0.397 |
0.508 |
1.14 |
11.800 |
4.900 |
1.800 | |
Кокс (3) |
1.143 |
0.023 |
0.055 |
0.540 |
0.158 |
1.633 |
0.678 |
0.249 | |
Материал |
|
|
|
|
|
|
| ||
|
Агломерат |
7.680 |
2.250 |
0.100 |
0.092 |
0.103 |
||||
Окатыши |
4.000 |
2.250 |
0.090 |
0.090 |
0.050 |
0.260 |
|||
Железорудная смесь |
7.496 |
2.250 |
0.100 |
0.092 |
0.099 |
0.013 |
|||
Марганцевая руда |
33.000 |
6.000 |
7.000 |
23.000 |
1.000 |
0.500 |
12.100 |
10.000 | |
Известняк |
1.250 |
0.250 |
0.100 |
0.660 |
43.240 |
||||
Зола кокса |
49.500 |
27.700 |
0.220 |
0.910 |
1.270 |
1.900 |
|||
Кокс |
6.851 |
3.834 |
0.030 |
0.126 |
0.176 |
0.263 |
1.02 |
2.6 |
- – Общее содержание отдельных элементов, переходящих в чугун определяют следующим образом:
- – Содержание соединений и элементов в железорудной смеси определяют сложением произведений содержаний соединений в
компоненте смеси на долю этого компонента в смеси
- – Содержание компонентов золы в коксе определяют умножением содержания соединения в золе на долю золы в коксе
- Определение расхода шихтовых материалов кроме кокса.
- Выход чугуна из компонентов ши
хты.
Расчет расхода железорудной части шихты, флюса, марганцевой руды, кокса выполняется на выплавляемого чугуна.
Для определения значений
расхода компонентов шихты
- расход рудной смеси,
- расход марганцевой руды,
- расход известняка.
Количество чугуна образующегося в доменной печи при проплавлении данного шихтового материала называется выходам чугуна.
Выход чугуна определяют по элементам, содержание которых в чугуне зависит главным образом от количества их в шихте ; содержание же ряда других элементов определяется условиями плавки .
Различные элементы, находящиеся в шихтовых материалах, в ходе доменной плавки распределяются между чугуном, шлаком и газом.
Коэффициенты распределения
|
|
|
|
|
| |
|
Чугун |
0.999 |
0.500 |
1.000 |
0.050 |
0.100 |
0.850 |
Газ |
0.100 |
|||||
Шлак |
0.001 |
0.500 |
0.850 |
0.900 |
0.15 |
Выход чугуна определяют по следующей формуле:
где: - содержание соответствующих элементов в данном материале, %;
- коэффициенты перехода элементов в чугун, ;
- содержание соответствующих элементов в чугуне, %;
Уравнение по выходу чугуна из компонентов шихты имеет вид:
где: - выход чугуна соответственно из рудной смеси, марганцевой руды и известняка.
Ниже приведены значения выхода чугуна из компонентов шихты.
Подставляем значения выхода чугуна в уравнение по выходу чугуна:
- Баланс марганца в компонентах шихты и чугуна.
Каждый компонент шихты может внести в чугун количество марганца, равное . Для поддержания в чугуне заданного количества марганца его требуется Избыток или недостаток марганца по каждому компоненту равен разности его фактического и требуемого взноса.
Недостаток марганца в чугуне от одних компонентов шихты должен быть покрыт избытком марганца в других компонентах, т. е. алгебраическая сумма избытков и недостатков марганца в составляющих шихты должна быть равна нулю, т.е. уравнение по балансу марганца будет иметь вид:
В известняке марганец отсутствует.
Подставим в уравнение полученные значения :
- Баланс основностей компонентов
шихты и доменного шлака.
В связи с тем, что основность каждого компонента шихты, выраженная отношением суммы, основных к сумме кислотных окислов, будет отличной от заданной основности шлака, то в компонентах шихты имеет место избыток или недостаток основных окислов по сравнению с требуемым их количеством в конечном шлаке. Поэтому для получения шлака заданной основности необходимо, чтобы:
или
где: - заданная основность шлака;
- содержание соответствующих окислов в компонентах шихты, %;
- избыток или недостаток
- отношение молекулярных масс к (равно );
- содержание кремния в чугуне. %;
- количество кремния,
- количество (кремнезема), которое будет израсходовано на восстановление требуемого количества кремния в чугун;
Недостаток основных окислов в одних компонентах шихты должен быть компенсирован избытком основных окислов в других компонентах, т. е. алгебраическая сумма избытков и недостатков основных окислов в составляющих шихты должна быть равна нулю. Таким образом, уравнение по балансу основности будет иметь вид:
Определим значения:
Подставим в уравнение баланса основностей полученные значения
Таким образом, имеем систему из трех уравнений:
Решение системы уравнений
Расход известняка получился отрицательным в связи с тем, что в железорудном материале будет находиться избыточное количество основных окислов по сравнению с требуемым в конечном шлаке. В расчете пока не учтен недостаток в золе кокса, удельный расход которого пока неизвестен. На ошлакование золы кокса требуется некоторое дополнительное количество флюса, которое в дальнейшем расчете может изменить отрицательный знак при на положительный. Если же и далее имеет отрицательный знак принимаем , а основность шлака будет равна той, которая получится в расчете.
По имеющимся данным можно определить количество флюса, необходимое для ошлакования золы, имеющейся в кокса.
Тогда на ошлакование золы всего кокса потребуется флюса
где: - удельный расход кокса, который предстоит определить.
Общий расход известняка на ошлакование пустой породы шихты будет равен
- Определение удельного расхода кокса.
Определение расхода кокса основано на расчете тепловых эквивалентов материалов. Общее балансовое уравнение для определения удельного расхода кокса имеет вид:
где: - удельный расход кокса, ;
- удельный расход дополнительного топлива, ;
- расход железорудной смеси, ;
- расход марганцевой руды, ;
- расход известняка на ошлакование пустой породы шихты без учета кокса;
- расход известняка на
- тепловые эквиваленты
Преобразование уравнения дает:
Поскольку уже определены, то задача отыскания удельного расхода кокса сводится к определению тепловых эквивалентов материалов доменной плавки. Понятие тепловых эквивалентов впервые введено А. Н. Раммом.
Тепловой эквивалент того или иного материала представляет собой количество тепла, которое надо затратить в доменной печи для выплавки чугуна при использовании единицы ( или ) этого материала.
Принято считать, что тепловые эквиваленты горючих материалов доменной плавки (кокс, мазут, природный газ и др.) имеют отрицательный знак (т.к. они не потребляют тепло в доменной печи, а сами выделяют его), а тепловые эквиваленты прочих материалов – положительный знак.
Математически тепловой эквивалент каждого
шихтового материала
В общем виде тепловой эквивалент любого шихтового материала можно представить в виде:
где: - тепловые эквиваленты отдельных элементов и окислов, ;
- содержание элементов и окислов в данном шихтовом материале, ;
- коэффициент перехода серы в шлак, ;
- тепловые потери,
Тепловые эквиваленты
1.3.1.
Тепловые эквиваленты
- Тепловой эквивалент сгорающего
у фурм углерода.
При окислении у фурм углерода кислородом дутья до окиси углерода по реакции выделяется тепло , здесь - атомная масса углерода. Кроме того, в печь вноситься тепло с нагретым дутьем, количество которого зависит от объема дутья на единицу сгорающего углерода и температуры дутья. В общем виде тепловой эквивалент углерода, сгорающего у фурм можно представить в следующем виде:
где: - расход дутья, углерода фурм;
- выход колошникового газа, дутья;
- теплосодержание горячего
Если предположить, что в печь подается сухое дутье состоящее из азота и кислорода, тогда:
;
т.к. согласно уравнению реакции горения углерода в кислороде до для сгорания углерода требуется кислорода ( - обьемная доля кислорода в сухом дутье).
Поскольку дутье всегда содержит влагу ( с учетом того, что в одном объеме водяного пара содержится половина объема кислорода, то содержание кислорода в единице влажного дутья составит:
В этом случае (с учетом кислорода влаги) количество дутья будет равно:
Теплосодержание горячего дутья
где: - теплосодержание сухого дутья, состоящего и азота и кислорода (двухатомный газ) при заданной температуре дутья, ;
- теплосодержание водяного пара
при заданной температуре
- количество тепла, которое поглощается при разложении в горне паров воды влажного дутья по реакции .
При определении количества газа, образующегося в горне из единицы дутья, следует учитывать, что при взаимодействии углерода с кислородом дутья и водяным паром из одного объема кислорода образуется соответственно по два объема окиси углерода.
;
Тогда выход газа составит
.
Подставив полученные величины в формулу теплового эквивалента углерода, сгорающего у фурм, получаем:
где: - содержание в сухом дутье, ;
- объемная влажность дутья, ;
- температура горячего дутья, ;
- температура колошникового газа, ;
- энтальпия двухатомных газов при температуре дутья, ;
- энтальпия водяного пара при температуре дутья, ;
- энтальпия колошникового газа при температуре колошника, ;
;
где: - энтальпия двухатомных газов при ,;
- энтальпия двух атомных газов
при
,
;
(значения и приведены в пос. № 892 стр. 116)
, (определяется так же)
Подставив соответствующие значения величин получим:
1.3.1.2.
Тепловой эквивалент углерода
прямого восстановления
Для окисления углерода прямого восстановления расходуется не нагретый воздух, а кислород шихты, например .
Образующаяся окись углерода в дальнейшем может участвовать в реакциях непрямого восстановления (например ) и без изменения уходит из печи с колошниковым газом, унося тепло в количестве . Поэтому:
1.3.1.3. Тепловой эквивалент окиси кальция.
может поступать в шихту в виде известняка , офлюсованного агломерата и окатышей (в этом случае она находится в виде силикатов и ферритов кальция). В доменной печи идет разложение известняка , на образование извести необходимо затратить тепла: . Образующаяся известь взаимодействует с кислотными окислами и переходит в шлак. При реакции извести и кремнезема выделяется тепла
При определении теплового
Если имеем дело с офлюсованном агломератом в котором известь находится в виде силикатов кальция, т. е. в виде «готового шлака», то имеет место экономия тепла, т. к. его нужно затратить лишь для расплавления . Тепловой эквивалент извести в офлюсованном агломерате
1.3.1.4. Тепловой эквивалент окиси кремния.
где: - основность шлака
1.3.1.5. Тепловой эквивалент окиси алюминия.
Теплота образования составляет . Здесь не учитываются , которые выделяются при взаимодействии и .
1.3.1.6.
Тепловой эквивалент окиси
Подобно извести может находиться в доменной шихте в виде , силикатов магния и свободном виде.
По реакции: для разложения требуется .При ошлаковании с образованием выделяется следовательно
Если присутствовал в аглошихте при спекании агломерата, то в нем будет в виде , и мы имеем экономию тепла которое не будет израсходовано в доменной печи на разложение
1.3.1.7. Тепловой эквивалент серы.
Принимаем для простоты, что сульфидная и органическая сера находится в свободном виде. Перевод серы в шлак идет по реакции
при этом затрачивается тепла: . При этом следует учесть расход тепла на разложение известняка , необходимое для получения дополнительного . Это тепло составит:
где: и - молекулярные массы и соответственно.
Необходимо также принять во внимание тепло, потребное для нагрева и расплавления находящегося в шлаке , которое равно (здесь - молекулярная масса ). Тогда тепловой эквивалент сульфидной и органической (свободной) серы будет равен
В офлюсованном агломерате сера присутствует в виде (сульфатная сера). Ее перевод в шлак может идти по реакции: на что затрачивается тепла
