Расчет материального баланса металлургического процесса

 

Содержание:

 

Введение 3

1. Общие принципы расчета  материального баланса металлургического процесса 4

2. Расчет материального  баланса металлургического процесса 7

Заключение 23

 

Введение

 

Расчет материального баланса является очень важной частью металлургического процесса. При расчете материальных балансов устраняются несоответствия между измеренными производственными данными и известными балансами массы.

Результатом расчета является нахождение таких минимальных поправок к измерениям, чтобы согласованные данные удовлетворяли ограничениям, обусловленным законом сохранения масс. Материальный баланс сводится для соблюдения равенства входных и выходных потоков (с учетом изменения запасов) на любом объекте (резервуаре, установке, узле) предприятия.

Выполнение таких условий автоматически означает выполнение балансовых условий как для любых структурных подразделений предприятия (цехов, участков и т.д.), так и для предприятия в целом.

 

1. Общие принципы расчета материального баланса металлургического процесса

 

Металлургический агрегат представляет собой реактор, в который поступают конденсированные и газообразные входные потоки и отводятся металл, шлак и газ.

Уравнение материального баланса для всей системы на уровне входных – выходных потоков имеет вид:

. (1)

где К, L - общее количество входных и выходных потоков; Gk, Gl – массы входных и выходных потоков соответственно, кг.

Для любого металлургического процесса выходными потоками являются металл, шлак и газ. С учетом этого, а также при разделении входных потоков на конденсированные и газообразные, уравнение материального баланса можно представить следующим образом:

. (2)

где K f, K г, G fk, G гk – количество и масса  соответственно конденсированных и газообразных потоков, кг; - масса металла, шлака и газа, кг.

Общая масса веществ, поступающих в систему с входными потоками соответственно равна:

. (3)

где N fк, N гк – количество веществ в k-ом потоке; /Rm/k, {Rm}k –содержание вещества Rm в k-ом потоке, %.

Масса веществ выходных потоков определяется массой веществ в металлической, шлаковой и газовой фазах:

, (4)

где Nм, Nшл, Nг – количество веществ в металле, шлаке и газе; [Rn], (Rn), {Rn} – содержание n-го вещества в металле, шлаке и газе, %.

Таким образом, материальный баланс на уровне потоков веществ имеет вид:

 (5)

Для того, чтобы определить состав фаз выходных потоков, составляются уравнения баланса по каждому элементу Еi, который может присутствовать в разных фазах в виде различных соединений:

 (6)

где , - концентрация m-го вещества, содержащего элемент Еi в k-ом конденсированном либо газообразном входном потоке соответственно, %, [Ei]- концентрация вещества, состоящего из элемента Еi, в металле, %; , – концентрация n-го вещества, содержащего элемент Еi в шлаковой и газовой фазах выходного потока соответственно, %; , , ,– количество веществ, содержащих элемент Еi, в k-ом входном потоке, шлаке и газе, хm, ym  – стехиометрические коэффициенты m-го соединения элемента Еi; МЕi, – молярные массы Еi элемента и его соединений, кг/моль.

 

 

2. Расчет материального баланса металлургического процесса

 

В составе конденсированного входного потока, в зависимости от варианта технологии, могут присутствовать: металлошихта (жидкий и чушковый чугун, металлический лом, металлодобавки); твердые окислители (металлургический агломерат, железная руда, окатыши, окалина); шлакообразующие материалы (известь, известняк, плавиковый шпат, кварцит, боксит, доломит); науглероживатели (графит, орешек коксовый, кокс металлургический, уголь). Газообразными входными потоками являются кислород и природный  газ. Исходные данные для расчета приведены в таблицах ниже.

Таблица 1 – Параметры процесса

Задание параметров процесса
Температура фаз
Температура металла, С	1600
Температура  шлака, С	1600
Температура газа, С	1550
Параметры процесса
Тепловые потери в печи, МДж	1000
Тепло внешних источников	99000
Потери металла с корольками	10%
Шлак попадающий в ковш	5%
Окисление кислорода и железа
Окисление железа до FeO	67%
Окисление железа до Fe2O3	33%
Окисление углерода до CO	90%
Окисление углерода до CO2	10%
Растворение кислорода в металле	0,1%
Коэффициент усвоения кислорода	1

 

 

Таблица 2 – Коэффициенты распределения элементов по фазам

Коэффициент распределения элементов
Элемент	Коэффициенты распределения			Сумма
	Металл	Шлак	Газ
C	0,3	0	0,7	1
Mn	0,48	0,52	0	1
Si	0,02	0,98	0	1
S	0,4	0,5	0,1	1
P	0,9	0,1	0	1
Al	0	1	0	1
Ca	0	1	0	1
Mg	0	1	0	1
Ni	0,5	0,5	0	1
Ti	0,1	0,9	0	1
V	0,12	0,88	0	1
Cr	0,16	0,84	0	1

 

 

Таблица 3 – Расходы материалов

Наименование материала	Температура материала, 0С	Масса материала, кг
Металлошихта
1.Жидкий чугун	1400	30
2.Чушковый чугун	25	0
3.Металлический лом	25	80
4.Металлодобавки	25	10
Итоги металошихты:		120
Твердые окислители
1.Агломерат металлургический	25	2,5
2.Железная руда	25	0,6
3.Окатыши	25	0
4.Окалина	25	0,1
Итоги окисления:		3,2
Шлакообразующие
1.Известь	25	6
2.Известняк	25	0
3.Плавиковый шпат	25	0
4.Кварцит	25	0,4
5.Боксит		0,1
6.Доломит		0,2
Итоги шлакообразующих:		6,7
Науглероживатели
1.Графит	25	0
2.Орешек коксовый	25	0,5
3.Кокс металлургический	25	0,4
4.Уголь	25	0,1
Итоги науглероживателей:		1
Дутье
1.Технический кислород, кг	25	2,9
2.Прир.газ, кг	25	0,1
Итоги дутья:		3
Всего:		133,9

 

 

 

Таблица 4 – Химический состав материалов

Металлошихта	FeO	Fe2O3	MnO	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	CaF2	P2O5	TiO2	V2O5	Cr2O3	NiO
1.Жидкий чугун	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%
2.Чушковый чугун	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.Металлический лом	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%
4.Металлодобавки	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%
Итого, кг	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
Твердые окислители
1.Агломерат металлургический	28,00%	63,71%	2,00%	3,00%	1,00%	0,80%	0,41%	0,00%	0,08%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
2.Железная руда	12,00%	62,34%	0,52%	11,70%	7,05%	1,60%	2,83%	0,00%	0,26%	0,20%	0,50%	0,00%	0,00%
3.Окатыши	65,00%	18,00%	3,00%	2,00%	2,00%	1,00%	1,00%	0,00%	1,00%	1,00%	1,00%	1,00%	1,00%
4.Окалина	30,40%	67,55%	1,00%	1,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,05%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
Итого, кг	0,80	2,03	0,05	0,15	0,07	0,03	0,03	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
Шлакообразующие
1.Известь	0,50%	0,00%	0,00%	1,50%	91,80%	1,80%	1,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
2.Известняк	1,10%	0,34%	0,00%	0,89%	65,70%	1,05%	0,55%	0,00%	0,07%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
3.Плавиковый шпат	6,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	92,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
4.Кварцит	5,50%	0,00%	0,00%	93,91%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
5.Боксит	3,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	91,00%	0,99%	1,01%	0,94%	1,06%	1,00%	1,00%
6.Доломит	2,20%	0,00%	0,00%	15,00%	10,00%	72,80%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
Итого, кг	0,06	0,00	0,00	0,50	5,53	0,25	0,15	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
Науглероживатели
1.Зола графита	1,00%	7,00%	1,00%	56,00%	7,00%	2,20%	25,20%	0,00%	0,60%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
2.Зола орешка кокс-го	0,12%	14,00%	0,88%	49,33%	5,80%	2,30%	26,80%	0,00%	0,77%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
3.Зола кокса мет-го	0,00%	14,12%	0,88%	49,33%	5,80%	2,30%	26,80%	0,00%	0,77%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
4.Зола угля	0,90%	7,07%	1,08%	59,59%	6,21%	2,48%	22,29%	0,00%	0,38%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%
Итого, кг	0,00	0,02	0,00	0,06	0,01	0,00	0,03	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00

 

 

Металлошихта	Fe мет	С	Si	Mn	Al	S	P	H2O	CO2	Зола	Итого
1.Жидкий чугун	94,41%	4,70%	0,44%	0,34%	0,00%	0,02%	0,09%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
2.Чушковый чугун	94,41%	4,70%	0,44%	0,34%	0,00%	0,02%	0,09%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
3.Металлический лом	99,10%	0,30%	0,20%	0,40%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
4.Металлодобавки	100,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
Итого, кг	117,60	1,65	0,29	0,42	0,00	0,01	0,03	0,00	0,00	0,00	120,00
Твердые окислители
1.Агломерат металлургический	1,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
2.Железная руда	1,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
3.Окатыши	1,00%	2,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
4.Окалина	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
Итого, кг	0,03	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	3,20
Шлакообразующие
1.Известь	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,40%	0,00%	2,00%	1,00%	0,00%	100,00%
2.Известняк	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,30%	0,00%	5,00%	25,00%	0,00%	100,00%
3.Плавиковый шпат	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	2,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
4.Кварцит	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,59%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
5.Боксит	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
6.Доломит	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	0,00%	100,00%
Итого, кг	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,03	0,00	0,12	0,06	0,00	6,70
Науглероживатели
1.Графит	0,00%	88,00%	0,00%	0,00%	0,00%	2,00%	0,00%	1,00%	0,00%	9,00%	100,00%
2.Орешек коксовый	0,00%	83,00%	0,00%	0,00%	0,00%	2,70%	0,00%	3,30%	0,00%	11,00%	100,00%
3.Кокс мет-кий	0,00%	85,00%	0,00%	0,00%	0,00%	2,97%	0,03%	0,00%	0,00%	12,00%	100,00%
4.Уголь	0,00%	79,70%	0,00%	0,00%	0,00%	2,30%	0,00%	0,00%	0,00%	18,00%	100,00%
Итого, кг	0,00	0,83	0,00	0,00	0,00	0,03	0,00	0,02	0,00	0,12	1,00

 

Дутье	O2	CH4	CO	CO2	N2	H2	H2O	SO2	Итого
1.Кислород	99,50%	0	0	0	0,50%	0	0	0	100%
2.Прир.газ	0	100%	0	0	0	0	0	0	100%
Итого, кг	2,8855	0,1	0	0	0,0145	0	0	0	3

 

 

Первым этапом необходимо рассчитать массы всех веществ, поступающих в систему с исходными материалами.

Общая масса конденсированного вещества R, поступающего в металлургический агрегат с входными потоками  равна:

, (7)

где K f, G fk – количество и масса  конденсированных входных потоков, кг; N fк,  – количество веществ в k-ом потоке; /Rm/k –содержание вещества Rm в k-ом потоке, %.

Масса газообразного вещества R, поступающего в печь с входными потоками, также определяется с учетом его содержания в газообразных входных потоках:

, (8)

где K г, G гk – количество и масса  газообразных входных потоков, кг; N гк – количество веществ в k-ом газообразном потоке; {Rm}k –содержание вещества Rm в k-ом газообразном входном потоке, %.

Таким образом, общая масса вещества R определяется как сумма его составляющих в каждом материале. Масса вещества в материале, в свою очередь, определяется его процентным содержанием (таблица 4).

Используя данные таблиц 1 и 4, рассчитывается количество всех веществ, поступивших в систему. Результаты представлены в таблице 5.

 

Таблица 5 – Состав входных потоков, поступивших в агрегат

Вещество	Малярная масса, кг/моль	Масса, кг	%
Fe	0,056	1,17634	87,85%
C	0,012	0,02485	1,86%
Mn	0,055	0,00422	0,32%
Si	0,028	0,00292	0,22%
S	0,032	0,00060	0,04%
P	0,031	0,00027	0,02%
FeO	0,072	0,00862	0,64%
Fe2O3	0,16	0,02050	1,53%
MnO	0,071	0,00055	0,04%
Al2O3	0,102	0,00210	0,16%
CaO	0,056	0,05602	4,18%
SiO2	0,06	0,00703	0,53%
MgO	0,04	0,00286	0,21%
TiO2	0,08	0,00002	0,00%
V2O5	0,182	0,00004	0,00%
P2O5	0,142	0,00005	0,00%
Cr2O3	0,152	0,00001	0,00%
NiO	0,075	0,00001	0,00%
CaF2	0,078	0,00001	0,00%
H2O	0,018	0,00137	0,10%
CO2	0,044	0,00060	0,04%
CO	0,028	0,00000	0,00%
N2	0,028	0,00015	0,01%
CH4	0,016	0,00100	0,07%
H2	0,002	0,00000	0,00%
O2	0,032	0,02886	2,15%
Всего:		1,33900	100,00%

 

Затем следует рассчитать массы всех элементов в системе, которые образуют вещества, представленные в таблице 5. Масса элемента будет определяться массой веществ, содержащих данный элемент с учетом стехиометрических коэффициентов. Результаты расчетов масс всех элементов, образующих систему приведены в таблице 6.

 

Таблица 6 – Поэлементный состав входных потоков, поступающих в агрегат

Вещество	Малярная масса, кг/моль	Масса, кг	%
Fe	0,056	1,19740	89,42%
C	0,012	0,02576	1,92%
Si	0,028	0,00620	0,46%
Mn	0,055	0,00465	0,35%
Ca	0,04	0,04002	2,99%
S	0,032	0,00060	0,04%
P	0,031	0,00030	0,02%
Ti	0,048	0,00001	0,00%
Cr	0,052	0,00001	0,00%
Al	0,027	0,00111	0,08%
Mg	0,024	0,00172	0,13%
Ni	0,059	0,00001	0,00%
V	0,051	0,00002	0,00%
N	0,014	0,00015	0,01%
H	0,001	0,00040	0,03%
F	0,019	0,00000	0,00%
O	0,016	0,06065	4,53%
Всего:		1,33900	100,00%

 

Следующим этапом расчета является перераспределение элементов по фазам. Элементы, поступающие  в систему с входными потоками, распределяются по фазам в соответствии с коэффициентами распределения L. Количество  элемента Еi в металле определяется по формуле:

, (9)

где L[Ei] – коэффициент распределения  элемента Ei в металл.

Фтор в металл не переходит, он будет присутствовать в соединении CaF2 в шлаковой фазе. Азот и водород переходят в газовую фазу. Кислород частично растворяется в металле, его количество будет определяться степенью растворения кислорода в металле (таблица 2). Количество кислорода  и железа в металле будет определено после расчета баланса кислорода в системе.

Результаты расчетов количества компонентов металлической фазы (без учета кислорода и железа) приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Массы компонентов металла

Элемент	C	Mn	Si	S	P	Ti
кг	0,00773	0,00223	0,00012	0,00024	0,00027	0,00000
Элемент	V	Ni	Al	Mg	Ca	Cr
кг	0,00000	0,00000	0,00000	0,00000	0,00000	0,00000

 

Количество   оксида элемента Еi в шлаке также определяем в соответствии с  коэффициентом распределения элемента в шлак:

, (10)

где L(Ei) – коэффициент распределения элемента Ei в шлак;  , - молярные массы элемента Е и его оксида; хn, yn – стехиометрические коэффициенты.

По формуле (10) рассчитываются массы оксидов, образующих шлаковую фазу. Таким образом, определяются массы всех оксидов, кроме оксидов железа. Результаты расчетов количества компонентов шлаковой фазы (без оксидов  железа) приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Масса компонентов шлака

Элемент	CaO	CaF2	SiO2	Al2O3	MgO	MnO
кг	0,05550	0,00001	0,01303	0,00210	0,00286	0,00312
Элемент	CaS	TiO2	V2O5	Cr2O3	NiO	P2O5
кг	0,00068	0,00002	0,00000	0,00001	0,00001	0,00007

 

 

Далее, необходимо определить состав газовой фазы. Для расчета состава и масс компонентов газовой фазы в печи предложен следующий механизм образования отходящих газов. В технологии с применением природного газа предполагается его полное сгорание.

При полном горении природного газа образуются СО2 и Н2О. Они вычисляется по следующим формулам:

 (11)

 (12)

Результаты вычислений приведены в таблице 9.

Таблица 9 – Образованный при горении газ

Элемент	CO2 (гор)	H2O (гор)
кг	0,00275	0,00225

 

Количество СО, образующееся при горении углерода шихты, можно определить следующим образом:

 (13)

где - степень окисления углерода до СО.

С учетом горения природного газа и наличия СО2  во входных потоках, его количество  в отходящих газах будет равно:

 (14)

Водород в отходящих газах отсутствует:

 (15)

Количество водяных паров определяется как сумму следующих составляющих:

 (16)

Количество азота в отходящих газах равно количеству азота, поступающего с газообразными входными потоками:

 (17)

Количество SO2 в отходящих газах определяется в соответствии с коэффициентом перехода серы в газовую фазу:

 (18)

Теперь следует рассчитать количество железа в металле и его оксидов в шлаке. Для этого определяем количество кислорода, которое остается в системе после окисления всех компонентов. Значение общего количество кислорода  в исходной системе находиться в таблице 6.

Этот кислород расходуется на образование всех оксидов шлаковой и газовой фазы.

Количество кислорода, затраченное на образование оксидов, определим следующим образом:

 

=G(CaO)*0,016/0,056+G(SiO2)*0,032/0,060+

+G(Al2O3)*0,048/0,102+G(MgO)*0,016/0,040+

G(MnO)*0,016/0,055+G(TiO2)*0,032/0,080+

+G(V2O5)*0,080/0,182+G(Cr2O3)*0,048/0,152+ (19)

+G(NiO)*0,016/0,075+G(Р2O5)*0,080/0,142+

+G{CO}*0,016/0,028+G{CO2}*0,032/0,044+

+G{H2O}*0,016/0,018+G{SO2}*0,032/0,064 

Следует вычислить оставшееся количество кислорода.

Часть этого кислорода растворяется в металле, а оставшийся кислород расходуется на окисление железа:

   (20)

где - степень окисления железа до FeO (таблица 2).

Результаты расчета количества кислорода приведены в таблице 9.

Таблица 9 – Расчет кислорода

Кислород	Goок	Goост	G[o]
кг	0,056712	0,003936	0,0000039

 

Количество железа в металле определяется следующим образом:

 (21)

Теперь имеются все данные для определения массы фаз выходных потоков: металл, шлака, газа.

 

Результаты расчетов по составу фаз приведены в таблицах 10-12.

Таблица 10 – Состав газа

Газ	СО	СО2	N2	H2	H2O	SO2	Итого:
кг	0,03595	0,00963	0,00015	0,00000	0,00362	0,00012	0,04946
%	72,69%	19,47%	0,29%	0,00%	7,31%	0,24%	100,00%

 

Таблица 11 – Состав шлака

Металл	FeO	Fe2O3	CaO	MnO	SiO2	Al2O3	P2O5
кг	0,01185	0,00432	0,05550	0,00312	0,01303	0,00210	0,00007
%	12,67%	4,62%	59,31%	3,33%	13,92%	2,24%	0,07%
MgO	CaF2	CaS	TiO2	V2O5	Cr2O3	NiO	Итого:
0,00286	0,00001	0,00068	0,00002	0,00000	0,00001	0,00001	0,09357
3,06%	0,01%	0,72%	0,02%	0,01%	0,01%	0,01%	100,00%