Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Кафедра металлургии железа и сплавов

Домашняя работа

Тема: «Расчет доменной шихты»

Дисциплина: «Металлургия черных металлов»

Преподаватель

Каплун Л.И.

Студент

Терехов П.А.

Екатеринбург 2015



Оглавление

1. Цель и задачи домашней работы

2. Теоретические сведения

2.1 Подготовка исходных данных для расчета

2.2 Расчет состава доменной шихты

2.3 Расчет состава продуктов плавки

2.4 Расчет состава чугуна

3. Основная часть

3.1 Расчет состава шихты

3.2 Расчет состава доменного шлака

3.3 Расчет состава чугуна

Вывод



1. Цель и задачи домашней работы

Расчет доменной шихты позволяет установить необходимое соотношение шихтовых материалов для получения чугуна заданного качества при указанных сырьевых условиях. Выполнение домашней работы по дисциплине «Металлургия черных металлов» ставит своей целью закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях по разделу «Производство чугуна».

Выполнение домашней работы предполагает:

- выполнение расчетов по типовым методикам;

- анализ результатов расчета;

- оформление пояснительной записки.



2. Теоретические сведения

2.1 Подготовка исходных данных для расчета

Доменная шихта состоит из трех основных частей: железорудный материал (ЖРМ), состоящий обычно из агломерата и окатышей, флюс и твердое топливо. В составе шихты могут также использоваться различные добавки, прежде всего, отходы металлургического производства.

Тип и химический состав железорудных материалов, флюсов и топлива, используемых в расчете, определяются заданием на выполнение работы. Следует иметь ввиду, что в задании указано только содержание агломерата (%) в шихте. Количество окатышей определяется как 100 - А (%). Перед началом выполнения расчетного анализа исходные данные должны быть уточнены и приведены к виду, удобному для выполнения расчетов.

а) Химический состав компонентов шихты

Железорудный материал, флюс, топливо и т.д. могут состоять как из одного, так и из нескольких видов сырья. В случае использования нескольких железорудных материалов, нескольких флюсов и топлива для удобства ведения расчета вначале находят их средний (средневзвешенный) состав, сводя шихту к трем основным компонентам. Например, железорудный материал содержит 30 % агломерата с содержанием железа 50 % и 70 % окатышей с содержанием железа 60 %. Среднее (средневзвешенное) содержание железа в смеси составляет: 50·0,3 + 60·0,7 = 57 %. Таким же образом находится средневзвешенное содержание других элементов и оксидов.

В случае отсутствия в исходных данных о содержании Fe2O3 в железорудном материале, его находят следующим образом:

Fe2O3 = (Feобщ - FeO· 56 / 72 - FeS2· 56 / 120) · 160 / 112

Цифры в уравнении означают молекулярную массу железа и его соответствующих соединений. В случае отсутствия данных о содержании FeS2 в материале содержание Fe2O3 определяют по формуле:

Fe2O3 = (Feобщ - FeO· 56 / 72) · 160 / 112

Для получения наиболее точного результата расчета сумма всех составляющих (оксидов) каждого компонента шихты должна быть равна 100 %. В справочных данных в связи с наличием неучтенных оксидов (например ТiO2, V2O5, Cr2O3, ZnO и др.) сумма приведенных оксидов может быть меньше 100 %. В связи с этим в таблице химического состава материалов отдельным столбцом целесообразно выделить неучтенные оксиды (ХO), содержание которых определяется следующим образом:

ХO = 100 - ?Y,

где ?Y - сумма всех оксидов, указанных в таблице химического состава материала, %.

Если сумма всех оксидов в химическом анализе материала превышает 100 %, химический анализ содержит ошибку. Ошибка должна быть найдена и исправлена.

В справочных данных по химическому составу кокса дается его технический состав и химический анализ золы. Например, технический состав кузнецкого кокса: зола (А) - 11,05 %; летучие (V) - 0,80 %; сера (S) - 0,42 %; углерод (C) - 87,73 %. Химический состав золы: SiO2 - 52,80%; Al2O3 - 26,20 %; CaO - 4,29 %; MgO - 1,33 %; Fe2O3 - 7,30 %.

Химический состав шихтовых материалов представляют в виде таблицы (табл.1).

Пересчет выполнен по формуле:



Пересчет выполнен по формуле:

Технический состав кокса:

А =11,05; V = 0,80; S = 0,42; С = 87,73.

б) Параметры доменной плавки

Количество кремния, углерода и серы, переходящих в чугун, на стадии расчета состава доменной шихты не может быть определено и принимается в соответствии с заданной маркой чугуна (Приложение 3). Содержание железа, марганца и фосфора в чугуне определяется их поступлением с шихтовыми материалами и степенью перехода в чугун. Распределение некоторых элементов между жидкими продуктами плавки приведено в табл. 2.

В настоящей работе содержание кремния в чугуне заданной марки и основность доменного шлака определяются заданием на выполнение работы.

Таблица 2. Потери элементов от улетучивания и распределение их между чугуном и шлаком, %.

Химический элемент	Fe	Mn	S	P	V	Cr
Передельный чугун
Улетучивается, %	-	-	0-5	-	-	-
Переходит в чугун,%	99,2 -99,9	50-70	95-100	100	70-80	90-98
Переходит в шлак,%	0,1 -0,8	30-50		0	20-30	2-10
Литейный чугун
Улетучивается, %	-	-	10-15	-	-	-
Переходит в чугун,%	99,0 -99,9	65-80	85-90	100	70-80	90-98
Переходит в шлак,%	0,1-1,0	20-35		0	20-30	2-10



2.2 Расчет состава доменной шихты

Количество (расход на 1 тонну чугуна) каждого из компонентов шихты (железорудный материал - агломерат или смесь агломерата и окатышей (Р), флюс -известняк (Ф) и кокс (К)) находят решением системы балансовых уравнений:

1. Уравнение баланса по железу:

0,01· зFe · (Р·Feр + 0,01·К·А· Feз.к. + Ф· Feф) = 10·Feч,

где Р, К, Ф - удельный расход ЖРМ, кокса и флюса соответственно, кг/ т чугуна;

А - содержание золы в коксе, %;

Feр, Feз.к., Feф, Feч - содержание железа в ЖРМ, золе кокса, флюсе и чугуне соответственно, %;

зFe - доля железа шихты, переходящего в чугун, д. ед.

В состав чугуна наряду с железом входят кремний, углерод, сера, марганец, фосфор и другие примеси. Доля примесей, вносимых в чугун флюсом (известняком) и коксом незначительна. Доли ванадия и титана, переходящие в чугун, могут быть значимы только при плавке титаномагнетитов. В связи с этим содержание железа в чугуне с достаточной точностью можно определить по формуле:

Feч = 100 - [Si] -[C] -[S] - [Mn] - [P],

где [Si], [C], [S], [Mn], [P] - содержание кремния, углерода, серы, марганца и фосфора в чугуне соответственно, %.

Учитывая известное по химическому анализу соотношение содержания марганца, фосфора и железа в ЖРМ имеем:



Feч = зFe• Feр• (100 - [Si] -[C] -[S]) / (зFe• Feр + зMn• Mnр + зP•Pр),

Mnр, Pр - содержание марганца и фосфора в ЖРМ, %;

зMn, зP - степень перехода марганца и фосфора в чугун, д.ед.

2.Уравнение баланса основности шихты и доменного шлака:

0,01·(Р· CaOр + 0,01·К·А · CaOз.к + Ф· CaOф)/{0,01·( Р· SiO2р + 0,01·К·А · SiOз.к+ Ф· SiO2ф) - 21,4· [Si] } = Вш,

Где Вш - основность (CaO/ SiO2) доменного шлака (задана в приложении 1).

3.Уравнение теплового баланса плавки.

Вследствие сложности доменного процесса в настоящее время строго теоретически тепловой баланс доменной плавки составить невозможно. В связи с этим в технологических расчетах удельным расходом кокса или задаются исходя из практических показателей печей, работающих в аналогичных по составу шихты и параметрам плавки условиях, или определяют его по приведенным в сравнении с эталонным образцом показателям. Удельный расход кокса по отношению к эталонной плавке ориентировочно может быть определен по уравнению:

К = 434 + 5,21· (57,5 - Feр) + 52,1· ([Si] - 0,66) + 5,64 (А - 11,1) + 1,3 (Sк - 0,48),

где - А и Sк - содержание золы и серы в коксе, % (по техническому анализу).

Таким образом, расчет состава шихты выполняется в следующей последовательности:

1. Рассчитать содержание железа в чугуне;

2. Рассчитать (или принять по заданию) расход кокса на тонну чугуна;

3. Решить систему уравнений баланса по железу и основности и определить расходы ЖРМ и флюса.

4. Результаты расчета занести в табл.3.

Таблица 3. Расход ЖРМ, флюса и кокса, кг/т чугуна

Расход ЖРМ (агломерата и окатышей) - Р	Расход флюса (известняка) - Ф	Расход кокса - К

2.3 Расчет состава продуктов плавки

Расчет позволяет определить состав получаемого чугуна, выход, состав и свойства шлака и сделать вывод о возможности выплавки чугуна заданного качества из указанных железорудных материалов. Если свойства шлака не удовлетворяют требованиям процесса, необходимо дать рекомендации по изменению его основности и корректировке состава доменной шихты.

Расчет состава доменного шлака

В шлак при доменной плавке переходят оксиды пустой породы ЖРМ, золы кокса и флюса за вычетом восстановившегося SiO2. В шлак также переходят часть железа, марганца и других примесей, восстанавливающихся в доменной печи лишь частично.

Оксиды кальция, магния и алюминия полностью переходят в шлак. Их количество в шлаке рассчитывается по формуле:

Мх = 0,01• (Р•Хр + Ф•Хф +0,01•К•А•Хз.к),

Где Мх - количество CaO (MgO, Al2O3), переходящего в шлак, кг/ т чугуна;

Хр, Хф, Хз.к - содержание CaO (MgO, Al2O3) в ЖРМ, флюсе и золе кокса соответственно, %.

Оксид кремния частично восстанавливается в чугун. Поэтому его масса в шлаке составляет:

МSiO2 = 0,01• (Р•SiO2р + Ф• SiO2ф +0,01•К•А• SiO2з.к) - 21,4•[Si] ,

где МSiO2 - количество SiO2, переходящего в шлак, кг/ т чугуна;

SiO2р, SiO2ф, SiO2з.к - содержание SiO2 в ЖРМ, флюсе и золе кокса соответственно, %.

Масса оксидов железа, марганца (ванадия и хрома в случае их наличия в шихте) в шлаке определяется их количеством, вносимым в печь с шихтой, и степенью перехода в шлак:

МFeO = 0,01• (Р•Feр + Ф• Feф +0,01•К•А• Feз.к) • (1 - зFe) • (56 + 16) / 56

МMnO = 0,01• (Р•Mnр + Ф• Mnф +0,01•К•А• Mnз.к) • (1 - зMn) • (55 + 16) / 55

Где МFeO, МMnO- количество FeO и MnO, переходящих в шлак, кг/ т чугуна.

Небольшое количество серы (до 5 %), поступающей в печь с шихтой, удаляется из печи с колошниковым газом. Основная часть серы распределяется между жидкими чугуном и шлаком. Для определения массы серы, переходящей в шлак, необходимо рассчитать ее приход с шихтовыми материалами и вычесть из него массу серы, улетучивающейся с колошниковым газом и переходящей в чугун.

Масса серы, поступающей в печь с шихтой и распределяющейся между чугуном и шлаком (Мs, кг/т чугуна) равна:

Мs = 0,01• (Р•Sр + Ф•Sф +К•Sк)•(1-лs),

Где Sр, Sф, Sк - содержание серы в ЖРМ, флюсе и коксе соответственно, %.

лs - степень улетучивания серы, д. ед.

Для расчета выхода шлака принимаем содержание серы в чугуне 0,03 % или 0,3 кг/т чугуна. Масса серы, переходящей в шлак, составит:

Мsш = Мs - 0,3.

Принимаем, что вся сера в шлаке находится в виде сульфатов (в основном в виде сульфата кальция) и ее доля может быть учтена в виде SO3. Масса SO3 в шлаке составляет: плавка шихта сера чугун

МSO3ш = Мsш• (32 + 3•16) /32 , кг/т чугуна.

Выход шлака (Ш, кг/т чугуна) определяется как сумма масс всех оксидов, переходящих в шлак:

Ш = ? Мi = МCaO + МMgO + МAl2O3 + МSiO2 + МFeO + МMnO + МSO3ш.

Коэффициент распределения серы между чугуном и шлаком равен отношению концентраций серы в шлаке и чугуне:

LS = (S) / [S].

Коэффициент распределения серы зависит от основности шлака и содержания кремния в чугуне (рис.1).



Рис.1. Зависимость коэффициента распределения серы LS от основности шлака;

цифры на кривых - содержание кремния в чугуне, %

Используя данные рис.1, принятые в расчете основность шлака и содержание кремния в чугуне находим Ls. (Ls = …).

Уточненное содержание серы в металле составит:

МS0 = МS / (1 + Ш• LS ), кг/т чугуна,

где Ш - выход шлака, т/т чугуна

Уточненное содержание серы в шлаке:

МSш0 = МS - 10•[S]0.

Уточненное содержание SO3 в шлаке:

МSO3ш0 = МSш0• (32 + 3•16) /32, кг/т чугуна.

Результаты расчета состава шлака занести в табл.4.

Таблица 4. Расчетный химический состав шлака

Компонент	CaO	Al2O3	MgO	SiO2	FeO	MnO	SO3	Всего
Приход в шлак, кг/т чугуна
Содержание, %



2.4 Расчет состава чугуна

Содержание железа в чугуне определено ранее по уравнению 2.5, кг/т чугуна

Содержание кремния соответствует принятому в расчете:

МSi= 10•[Si], кг/т чугуна.

Содержание серы в чугуне рассчитано по уравнению 2.17, кг/ т чугуна.

Содержание марганца в чугуне определяется по формуле:

МMn = 0,01• (Р•Mnр + Ф• Mnф +0,01•К•А• Mnз.к) • зMn, кг/т чугуна.

Содержание фосфора определяется по формуле:

МР = 0,01• (Р•Рр + Ф• Рф +0,01•К•А• Рз.к), кг/т чугуна.

Содержание углерода в чугуне равно:

Сч = 1000 - [Fe] - [Si] -[S] - [Mn] - [P], кг/т чугуна.

Результаты расчета состава чугуна занести в табл.5.

Таблица 5. Расчетный химический состав чугуна

Содержание элементов	Si	Mn	P	S	C	Fe
Кг/тчугуна
Масс. %



3. Основная часть

Рассчитать потребность в агломерате, известняке и коксе для выплавки чугуна марки П2; определить количество и состав шлака. Химический состав материалов приведен в таблице ниже. Содержание кремния в чугуне -0,5%. Основность шлака -1,20. В соответствии с данными табл.2. принимаем степень перехода марганца в чугун - 0,6, фосфора - 1; степень улетучивания серы - 0,05.

Исходные данные:

Технический состав кокса: А =11,05; V = 0,80; S = 0,42; С = 87,73; W=3,0.

3.1 Расчет состава шихты

1. Определяем содержание железа в чугуне

Feч = зFe• Feр• (100 - [Si] -[C] -[S]) / (зFe• Feр + зMn• Mnр + зP•Pр),

Feч = 0,998•65,41•(100 - 0,5 - 4,5 -0,05)/( 0,998•65,41+0,6•0,395+ +1•0,045) = 94,95%.

2. Рассчитываем расход кокса

К = 434 + 5,21· (57,5 - Feр) + 52,1· ([Si] - 0,66) + 5,64· (А - 11,1) + 1,3· (Sк - 0,48),

К = 434 + 5,21· (57,5 -65,41) +52,1(0,5- 0,66) + 5,64 (11,05- 11,1) + 1,3· (0,42- 0,48) = 358,543 кг/т чугуна.

3. Решаем систему уравнений баланса железа и баланса основности



0,01· зFe · (Р·Feр + 0,01·К·А· Feз.к. + Ф· Feф) = 10·Feч

0,01·(Р· CaOр + 0,01·К·А · CaOз.к + Ф· CaOф)/{0,01·( Р· SiO2р + 0,01·К·А · SiO2з.к+ Ф· SiO2ф) - 21,4· [Si] } = Вш,

0,01· 0,998 · (Р·65,41+ 0,01·358,543 ·11,05· 12,58+ Ф·0,55) = 10·94,95

0,65Р +4,97+0,005489Ф =949,5.

Р = 1453,12 - 0,00844Ф.

0,01·(Р· 4,035+ 0,01·358,543·11,05·5,00 + Ф·54,00) /{0,01·( Р·5,955+ 0,01·358,543·11,05·54,10+ Ф·0,79)- 21,4· 0,5}=1,20.

0,04035Р + 1,98095+ 0,54Ф = 0,07146Р + 21,4338 + 0,0079Ф - 12,84

0,5321Ф = 0,03111Р + 6,61285.

0,5324Ф = 51,8194

Ф = 97,33

Р = 1452,29

Расход ЖРМ (агломерата и окатышей) - Р	Расход флюса (известняка) - Ф	Расход кокса - К
1452,29	97,33	358,543

3.2 Расчет состава доменного шлака

1. Определяем приход оксидов компонентов шихты в шлак (кг/т чугуна)

МCaO = 0,01• (1452,29•4,035+ 97,33•54,00+0,01·358,543·11,05·5,00) = 113,14;

МMgO = 0,01• (1452,29·1,62+ 97,33•0,78+0,01·358,543·11,05·2,3) =25,20;

МAl2O3 = 0,01• (1452,29•1,46+ 97,33•0,12+0,01·358,543·11,05·26,02) = 31,63;

МSiO2 = 0,01• (1452,29•5,955 + 97,33•0,79+0,01·358,543·11,05·54,10) - 21,4•0,5=97,98;

СаО/ SiO2 = 1,20, что соответствует заданному;

МFeO = 0,01• (1452,29•60,755+ 97,33•0,38+0,01·358,543·11,05·9,78) • (1 - 0,998) • (56 + 16) / 56 =2,28;

МMnO = 0,01• (1452,29•0,395+ 0 + 0) • (1 - 0,6) • (55 + 16) / 55 =2,96.

2. Рассчитываем массу серы, поступающей в печь с шихтой и распределяющейся между чугуном и шлаком (Мs, кг/т чугуна):

Мs = 0,01• (1452,29•0,045+ 97,33•0,052+358,543•0,42)•(1-0,05) =2,1.

3. Принимаем содержание серы в чугуне 0,03 % или 0,3 кг/т чугуна. Масса серы, переходящей в шлак, составит:

Мsш =2,1 - 0,3 =1,8.

Масса SO3 в шлаке составляет:

МSO3ш = 1,8• (32 + 3•16) /32 = 4,5.

4. Определяем выход шлака:

Ш = 113,14 + 25,20 + 31,63 + 97,98 + 2,28 + 2,96 + 4,5 =277,7 кг/т чугуна.

Компонент	CaO	Al2O3	MgO	SiO2	FeO	MnO	SO3	Всего
Приход в шлак, кг/т чугуна	113,14	25,20	31,63	97,98	2,28	2,96	4,5	277,7
Содержание, %	40,74	9,07	11,39	35,28	0,82	1,07	1,62	100



3.3 Расчет состава чугуна

Содержание железа в чугуне определено ранее по уравнению и составляет 949,5 кг/т чугуна

Рассчитываем содержание марганца и фосфора в чугуне

Mn = 0,01• (1452,29•0,395+ 0 + 0) • 0,6= 3,4 кг/т чугуна;

Р = 0,01• (1452,29•0,045+0+0) = 0,65 кг/т чугуна.

Содержание кремния соответствует принятому в расчете:

Si= 10•[Si] = 10•5= 5 кг/т чугуна

Уточняем содержание серы в чугуне.

S = 2,1/(1 + 0,278 • 34 ) = 0,191 кг/ т чугуна.

При основности шлака 1,20 и содержании кремния в чугуне 0,5% величина коэффициента распределения серы в соответствии с рис.1 составляет Ls= 34

Содержание углерода в чугуне равно:

Сч= 1000 - [Fe] - [Si] -[S] - [Mn] - [P] = 1000-949,5-5-0,191-3,4-0,65= 41



Расчетный химический состав чугуна

Содержание элементов	Si	Mn	P	S	C	Fe
Кг/тчугуна	5	3,4	0,65	0,191	41	949,5
Масс. %	0,5	0,34	0,065	0,0191	4,1	94,95



Вывод

Расчетный состав чугуна соответствует заданной марке П2, относится к 1 группе по содержанию марганца, А классу по содержанию фосфора и 2 категории по содержанию серы.

Дано:

флюс	кокс	марка	[Si]	Основность шлака	доля
2	1	П2	5	1,20	0,65

Агломерат: Западносибирский

Fe	Mn	S	P	FeO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO
56,1	0,60	0,07	0,04	16,00	6,60	2,60	7,83	2,90

Окатыши: Лебединские

Fe	Mn	S	P	FeO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO
65,41	0,19	-	0,03	0,99	5,46	0,32	0,24	0,34

Флюс: Баразковское

Fe2O3	SO3	CaO	SiO2	Al2O3	MgO	P2O5	ППП
0,55	0,13	54,00	0,79	0,12	0,78	-	43,63

Кокс: Кузнецкий

зола	летучие	сера	С	влага
11,05	0,80	0,42	87,73	3,0

Зола кокса:Кузнецкий



FeO	CaO	SiO2	Al2O3	MgO
12,58	5,00	54,10	26,02	2,30

Размещено на Allbest.ru

...